книги из ГПНТБ / Эльянов, В. Д. Прижоги при шлифовании обзор

МИНИСТЕРСТВО СТАНКОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИИ ПО МАШИНОСТРОЕНИЮ

(НИИМАШ)

ПРИЖОГИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

ОБЗОР

М О С К В А 19 7 4

ВВЕДЕНИЕ

Прижоги — одна из наиболее распространенных и сложных «болезней» абразивной обработки закаленных сталей и сплавов. Они наблюдаются на операциях круглого, плоского, внутреннего и других видов шлифования; при обработке прямолинейных и фасон­ ных поверхностей; при изготовлении деталей машин и лезвийного инструмента из жаропрочных сплавов, инструментальных и конст­ рукционных сталей. Их появление может привести к значительному снижению твердости обработанной поверхности, усталостной проч­ ности, износоустойчивости и, как следствие, долговечности деталей машин. Известно, что прижоги, возникающие на рабочих поверх­ ностях зубчатых колес, снижают в ряде случаев усталостную проч­ ность на 20—30% и долговечность зубчатых колес — до пяти раз [14, 66]. Прижоги могут возникать системэтически или случайно, на нескольких деталях или на всей партии. Образование одного и того же характера прижога (по внешнему виду) на одинаковых станках

иоперациях может быть результатом влияния абсолютно разных факторов-причин. Так например, штриховые прижоги на шлифу­ емой поверхности возникают из-за повышенной твердости абразив­ ного инструмента, увеличенной рабочей подачи, загрязнения СОЖ

ит. д.

Образование прижогов при шлифовании является одним из основных качественных показателей обработки, который определя­ ет построение рабочего цикла, назначение режимов резания, произ­ водительность.

Опыт внедрения современных отечественных и импортных авто­ матов для производства колец подшипников показывает, что из-за отсутствия реальных предложений по устранению прижогов в ряде случаев вынуждены снизить производительность в 1,5—2 раза отно­ сительно возможностей, заложенных в станках [63]. В связи с этим на современном этапе развития машиностроения, при возрастаю­ щих требованиях к производительности, качеству и долговечности машин, обеспечение бесприжогового шлифования является одной из главных задач.

Образование прижогов связано с тепловыми явлениями, возни­ кающими в процессе шлифования металлов. Как известно, процесс

3

шлифования характеризуется повышенным тепловыделением, обра­ зованием значительных контактных температур в зоне резания, мгновенностью нагрева и высокой концентрацией теплоты в тончай­ ших поверхностных слоях шлифуемых деталей. Результаты исследо­ ваний [1, 2, 18, 20, 23, 55] показали, что температура в зоне резания колеблется в широких пределах, примерно от 250° до 1600° С, при этом нагрев металла достигает критических точек аллотропических изменений. Нагретый металл, взаимодействуя с охлаждающей сре­ дой, приобретает повышенную или пониженную твердость поверх­ ностного слоя. Данный качественный дефект в технической литера­ туре и производственной практике называют «ожогом» или «нрижогом».

Температура в зоне резания и шлифуемой поверхности зависит от условий контакта множества одновременно работающих абра­ зивных зерен с обрабатываемым металлом. Условия контакта су­ щественно зависят от взаимного воздействия большого количества факторов. Помимо выбора металла и абразивного^инструмента, эти условия определяются скоростью резания, скоростью вращения детали, величиной снимаемого припуска, интенсивностью съема металла, составом СОЖ и методом ее подвода и т. д. При этом из­ менение одного из них может иривести к резкому ухудшению каче­ ства обработки. Например, на некоторых операциях замена масля­ ной СОЖ водной при прочих равных условиях приведет не только к образованию прижогов, но даже к появлению трещин на шлифуе­ мых поверхностях [43]. Следовательно, для повышения качества обработки необходимо знать, как тот или иной фактор (отдельно и в сочетании с другими) влияет на процесс теплообразования.

Бесприжоговому шлифованию посвящено большое количество исследований, разработаны рекомендации, некоторые из них опуб­ ликованы и многие внедрены в промышленности. Анализ этих работ показывает, что ряд факторов оказывает определенное и законо­ мерное влияние на процесс теплообразования. Знание этих законо­ мерностей позволяет управлять ими, подбирая наиболее благо­ приятные условия для уменьшения вероятности появления прижо­ гов, что приобретает особое значение при освоении современных прогрессивных методов, обработки, в которых предусматриваются значительное увеличение интенсивности съема металла, скорости шлифования, одновременная обработка нескольких поверхностей и т. д.

Многие рекомендации по устранению прижогов имеют частное применение, использование их в иных условиях обработки не всегда дает эффект; они даже могут быть вредны или экономически неоправданы. Чтобы определить целесообразность внедрения пред­ лагаемых мероприятий, первоначально необходимо установить истинную причину возникновения прижога в каждом конкретном

случае.

Причина прижога может быть связана, например, с неправиль­ ным выбором абразивного инструмента, СОЖ или режимов реза­

4

ния. Это происходит из-за отсутствия достаточного опыта или незнания тонкостей новых процессов. В Московском специальном конструкторском бюро автоматических линий и специальных стан­ ков (МСКБ АЛ и СС) почти два года не могли устранить прижог, возникающий из-за неравномерного вращения детали при ее шли­ фовании на врезном'круглошлифовальном автомате модели 3474НВ [64]. К решению этой проблемы были подключены многие ученые и специалисты научных и учебных институтов, КБ и других предприя­ тий. В результате поисков было установлено, что для устранения данного дефекта при бесцентровом методе шлифования с базирова­ нием детали по обрабатываемой поверхности на жестких твердо­ сплавных опорах необходимо применять специальную СОЖ с по­ верхностно-активными веществами.

Прижоги возникают и на операциях, для которых технологи­ ческие процессы были разработаны с учетом особенностей обеспе­ чения бесприжогового шлифования. В этом случае появление прижога вызвано отклонениями одного или нескольких факторов от предусмотренных условий обработки. Тогда, как правило, на опре­ деление истинной причины прижога затрачивается больше времени, чем на устранение дефекта. При этом сложность поиска причины и ее устранение возрастают с повышением производительности обработки. Определение причины прижога, в основном, базируется на опыте специалистов, занимающихся исследованием и эксплуата­ цией аналогичных технологических операций.

Применяемые методы устранения прижогов предусматривают усовершенствование конструкции шлифовальных станков, повыше­ ние качества поступающего на обработку металла, абразивного инструмента, СОЖ, выбор оптимальных режимов резания и по­ строений рабочих циклов. Прогрессивные мероприятия позволяют не только снизить вероятность прижогов, но также одновременно увеличить производительность, улучшить шероховатость и другие показатели обработки. Иногда для устранения массовых прижогов требуются элементарные и давно известные мероприятия, а глав­ ное, соблюдение технологического процесса.

ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НА ТЕМПЕРАТУРУ ШЛИФУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Тепловая напряженность процесса шлифования может быть оха­ рактеризована мощностью, затрачиваемой при обработке. В реаль­ ных условиях шлифования более 80% затрачиваемой мощности переходит в тепло [62, 69]. Источником тепла являются абразивные зерна, которые по характеру участия в процессе обработки разде­ ляются на режущие 2, давящие 3 и нережущие 1 (рис. 1, а).

Режущие абразивные зерна участвуют в процессе снятия струж­ ки [44, 62]. Механизм воздействия этих зерен на обрабатываемую поверхность сводится к следующему (рис. 1, б). Первоначально

5

III этап— снятия стружки (зона III). При работе режущих зерен

Рис. 1. Взаимодействие' шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью:

Рис. 2. Результаты расчета температуры в поверхност­ ном слое заготовки для процесса плоского шлифования.

тепло образуется, в основном, за счет.^грения абразивных'зерен по ювенильной поверхности только что обработанного металла и энергии, расходуемой на упругую и пластическую деформации. На основании экспериментальных и расчетных данных [75] установ­ лено, что на первых двух этапах контакта зерна с металлом темпе­ ратура шлифуемой поверхности даже выше, чем при снятии струж­

6

ки (рис. 2). Это можно объяснить тем, что энергия, затрачиваемая на упругие деформации и преодоление сил трения абразивных зерен по обрабатываемой поверхности, целиком переходит в тепло. Под действием сил трения металл нагревается и, размягчаясь, вдавли­ вается во все неровности зерна. Создается пластический контакт зерна с металлом, увеличивается его сцепление с обрабатываемой поверхностью, в результате повышаются коэффициент трения и выделение тепла [44].

Разновысотность расположения абразивных зерен, на поверх­ ности шлифовального круга [15] приводит к тому, что часть их не может внедряться в поверхность металла на глубину, достаточную для снятия стружки, и лишь скользит по ранее обработанной по­ верхности, вызывая дополнительные упругие и пластические дефор­ мации. Как показано в работе [31], при царапании металлов единич­ ным конусом с радиусом закругления 6 мк, толщина слоя металла, при котором происходит не резание, а скольжение с пластическим сжатием его, для закаленных сталей ШХ-10 и стали 40 составляет 1 —1,2 мк. Следовательно, вторая груша абразивных зерен (давя­ щие) также участвует в трении и в образовании тепла.

Некоторые авторы [19] считают, что в трении участвуют не только зерна, но и связка, а поэтому с повышением количества связки в круге увеличивается ее контакт с металлом, возрастает трение, что дополнительно влияет на температуру в зоне резания.

Условия контакта абразивного зерна с металлом зависят от большого количества факторов, поэтому замеры температуры шли­ фуемой детали имеют значительные расхождения. Исследователи, изучая структуру и микротвердость закаленных колец шарикопод­ шипников из стали ШХ15 [56] и сталей У10, Р 18, ЭИ 184 [23], показа­ ли, что при шлифовании систематически возникают температуры свыше 800°С, а при неблагоприятной форме абразивных зерен тем­ пература доходит до 1600° С. Теоретические исследования темпера­ турных полей при шлифовании [18] показали, что в зависимости от глубины резания контактная температура может колебаться от

340° до 1100° С.

Для расчета температуры, возникающей при шлифовании метал­ лов, предложены [15, 18, 20, 36, 44, 46, 61] ряд условных схем и рас­ четных формул. Формулы авторов отличаются по структуре, коли­ честву учитываемых 'факторов и оценке их влияния. Однако исполь­ зование этих формул для различных случаев шлифования может привести к существенным погрешностям в определении температу­ ры. Как показано в работе [61], значения температур, полученные по формулам некоторых авторов, могут составить 3000—5000°С, что, без сомнения, является преувеличением. Кроме того, для расчета температуры шлифования требуется учитывать силу резания, кото­ рая определяется из эмпирических уравнений. По данным [15], значения силы резания, вычисленные по различным формуламдля одинаковых условий, существенно различаются. Поэтому существу­ ющиеформулы, видимо, могут быть применены лишь к конкретным

7

условиям обработки. Тем не менее общее влияние основных фак­ торов процесса шлифования на теплообразование во всех формулах совпадает, что дает возможность определить основные направления снижения температуры шлифуемой поверхности.

Ниже приведено несколько зависимостей (1, 2, 4), анализ кото­ рых дает представление об основных причинах теплообразования, раскрывает взаимосвязь факторов, влияющих на образование теп­ ла, указывает пути снижения тепловой напряженности шлифования.

R-f-P-(l-vк)0,5

д— коэффициент теплопроводности металла, кал/см-сек-град;

у—удельный вес обрабатываемого металла, г/смъ\

с— теплоемкость обрабатываемого металла, кал/г-град.

где Тп — температура шлифуемой поверхности, °С; а — толщина слоя, снимаемого одним абразивным зерном, мк;

2ф — число зерен, участвующих в работе на 1 см2, или количест­

т0— масса удаляемых из зоны резания отходов, кг;

8

мощности, переходящей в тепло (обычно п = 0,85—0,99); P z — тангенциальная составляющая силы резания, кгс;

FT— «тепловая» площадь контакта круга и детали, м2.

Исследования, выполненные отечественными и зарубежными учеными, показали, что до 98% затрачиваемой на резание мощности Л^эф переходит в тепло [46]. Поэтому в нормативных материалах и многими исследователями, кроме непосредственного расчета темпе­ ратуры, в качестве критерия тепловой напряженности процесса принимается требуемая мощность шлифования [8, 18, 22, 35, 46, 47].

где Dm— диаметр шлифования, мм; Вт— ширина шлифования, мм.

Основное преимущество приблизительной оценки температуры шлифования по АЭф связано с тем, что мощность можно контроли­ ровать в процессе эксплуатации оборудования (не прибегая к слож­ ной аппаратуре, в частности, с помощью установленных на станке амперметров).

Если сопоставить формулы для определения температуры (1, 2, 4) и мощности Л'эф (7, 8), то можно заметить, что они учитывают в основном одни и те же факторы. Так например, все формулы учи­ тывают скорость резания ок, интенсивность съема металла (выра­ женную через силу резания Р г , поперечную подачу s или толщину слоя, снимаемого одним абразивным зерном а), продолжительность шлифования (определяемую через время т или припуск П), условия контакта (через длину дуги контакта / или диаметр шлифования

Dm) и т. д.

Анализ приведенных выше формул позволяет все факторы влияющие на температуру в зоне резания (шлифуемой поверхно­ сти) и на потребляемую мощность шлифования, условно разделить на четыре группы:

I —связана с теплофизическими свойствами обрабатываемого металла (в формулах учитываются теплоемкость с, удельный вес у и теплопроводность X) и его структурой.