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

vK, скоростью вращения детали од, интенсивностью съема металла (7, s), длиной дуги контакта I и т. д.).

IV — связана с применением смазочно-охлаждающей жидкости (коэффициентом теплообмена а к, коэффициентом трения f и др.).

Ниже подробно рассматривается влияние составляющих каждой группы на процесс теплообразования.

Влияние теплофизических свойств обрабатываемого металла и его структуры.

Удельный вес у и теплоемкость с различных /металлов меняются в значительно меньших пределах, чем теплопроводность Я (табл. 1), поэтому некоторые авторы учитывают только теплопроводность.

* при 29°С; ** при 20°С

Средние значения Я для различных обрабатываемых и инстру­ ментальных материалов в диапазоне температур, характерных для резания, приведены в работе [46].

Из формул (1, 2, 4) видно, что с уменьшением коэффициента теплопроводности возрастает температура шлифуемой поверхности, ухудшается обрабатываемость металла [19] и снижается стойкость абразивного инструмента [59], что влечет за собой уменьшение удельной производительности. Так, при шлифовании сплава ХН77ТЮ с Я=0,023 кал/см-сек-град при 300° С удельная производи­ тельность была в десять раз ниже, чем при обработке стали 45, у которой Я =0,11 кал/см-сек-град [19]. Это объясняется тем, что чем ниже теплопроводность, тем больше тепла концентрируется на по­ верхностном слое металла, ухудшается отвод тепла из зоны контак­

10

та абразивного зерна с деталью, возрастает адгезионный износ шлифовального круга и налипание мелких частиц металла на режу­ щие зерна (рис. 3). Последнее еще более усугубляет вероятность появления прижогов. Поэтому по мере уменьшения теплопроводно­ сти обрабатываемой стали или сплава возрастает сложность обес­ печения условий бесприжогового шлифования.

7, %

Рис. 3. Изменение коэффициента налипания rq при круглом на­

ружном шлифовании электрокорундовыми кругами различных

сталей:

1 — Р18 при ^,=0,065 кал/см-сек-град; 2 — ЭИ417 при Х-0,079 кал/см-сек-град;

3 — стали 45 при Х=0,096 кал/см-сек-град

Кроме теплофизических свойств, исследователи связывают обра­ батываемость металла и склонность к прижогам с количеством остаточного аустенита в его структуре. В работе [23] показано, что при шлифовании в поверхностных слоях металла неизбежно обра­ зуется остаточный аустенит, количество и глубина которого может быть различной. При этом считается, что чем больше процент оста­ точного аустенита, тем хуже обрабатываемость металла, так как из всех структурных составляющих стали теплопроводность аустенита самая низкая. Структурные составляющие стали в порядке возрас­ тания теплопроводности располагаются следующим образом: аусте­ нит, мартенсит закалки, мартенсит отпуска, троостит, сорбит, перлит [33].

Отмечается [13], что при шлифовании меньше дефектов возника-

•ет в поверхностном слое отпущенной, а не закаленной стали, так как отпущенная сталь обладает большей теплопроводностью. Выяв­ лена зависимость, что с повышением температуры отпуска тепло­ проводность увеличивается, так как усиливается распад мартенсита закалки, который переходит в мартенсит отпуска.

Влияние характеристики шлифовального круга на процесс теп­ лообразования подробно рассмотрено в работе [44].

На температуру шлифуемой поверхности Тл влияет радиус закругления вершин абразивного зерна г (см. формулы 2 и 3) и число абразивных зерен, участвующих в работе 2ф, т. е. количество тепловых импульсов. При изменении радиуса г меняется площадь контакта абразивного зерна с металлом (sK= «r2-sin2<p), определяю­ щая количество тепла, выделяемого одним зерном, q{ и температу­ ру Тп. Следует отметить, что увеличение г приводит к уменьшению угла контакта абразивного зерна с металлом <р. Число зерен 2ф.

И

непосредственно влияет на изменение Тп, согласно формуле (2), а также на толщину слоя а снимаемого металла.

Изменение характеристики шлифовального круга или состояние его режущей кромки в процессе эксплуатации может повлиять одновременно на величины г и 2ф или в отдельности на каждую. Например, пористость шлифовального круга уменьшает число зерен 2ф, что приводит к увеличению толщины слоя а. Однако, если 2ф пропорционально влияет на температуру, а — в степени 0,5; поэтому температура в этих условиях будет снижаться. При затуп­ лении режущей кромки возрастает г, но уменьшается угол контак­ та ф, однако в совокупности это приведет к увеличению sKи Ти. По расчетам [44] при увеличении радиуса вершин абразивного зерна с 9

влияет на величину 2ф и г. С увеличением размера зерна 2ф умень­ шается. Влияние зернистости абразивного инструмента на температуру Тп в этом случае может быть различным, так как значения 2ф и г зависят и от глубины шлифования. Сравнение кругов различной зернистости [44] показало, что с изменением глубины шлифования произведение Сф-^i для крупнозернистых кругов в некоторых случаях может оказаться меньшим, чем для мелкозернистых, так как прева­ лирующее значение в изменении температуры при малой глубине шлифования с увеличением зернистости круга будет иметь возрас­ тание радиуса г, а при увеличении глубины шлифования — умень­ шение числа зерен 2ф. Таким образом, при малой глубине шлифо­ вания крупнозернистым кругом температура обрабатываемой по­ верхности может быть выше, чем мелкозернистым, а при большей глубине шлифования мелкозернистые круги дают более высокую температуру. Этим объясняется существующая практика примене­ ния крупнозернистых кругов вместо мелкозернистых с целью уменьшения прижогов на шлифуемой поверхности.

Существует много объяснений влияния характеристики круга на процесс теплообразования и прижоги, которые развивают и допол­ няют теоретические исследования [44].

Различают [29] нормальный и аварийный характер износа абра­ зивного зерна. При нормальном характере изнашивание абразивно­ го зерна происходит в виде увеличения износных площадок и по­ верхностного выкрашивания (рис. 4, а, б). Этот этап характеризует­ ся работой круга в условиях затупления абразивного зерна, что приводит к увеличению радиуса закругления его вершины. На вто­ ром этапе (аварийном) — износ увеличивается за счет объемного разрушения зерна и вырыва зерен из связки (рис. 4, в, г). Этот про­ цесс в литературе и на производстве называют самозатачивани­ ем [8]. Самозатачивание шлифовального круга приводит к обновле­ нию зерен, участвующих в работе, и обеспечивает минимальное за­

12

тупление абразивных зерен к конечному моменту шлифования, т. е. незначительно увеличивает радиус закругления зерен.

Переход от одного этапа к другому зависит от критических нагрузок, приходящихся на абразивные зерна. Б зависимости от материала зерна и его величины (рис. 5), связки и твердости круга могут быть разные критические нагрузки [30]. По данным [32] опти­ мальная нагрузка на одно абразивное зерно находится в пределах

Рис. 4. Виды износа абразивного зерна:

появление износных площадок; б — поверхностное выкрашивание; в - объемное разрушение зерна; г — вырыв зерна из связки

0,5—1 кг. Увеличение нагрузки и разрушение абразивного зерна могут быть результатом увеличения рабочей подачи s, толщины слоя а, снимаемого одним зерном, длительности шлифования тш и т. д. При затуплении зерен возрастают нагрузки, силы резания Pz

3 — для зерен карбида кремния (при объемном разрушении)

и потребляемая мощность шлифования (рис. 6 и 7, участок кривой АВ), при наступлении объемного разрушения зерен и их вырыве (см. рис. 6 и 7, участок кривой ВС) — Pz и Naф снижаются [32, 64].

13

Исследования, приведенные выше, показывают, что при рассмот­ рении влияния того или иного фактора на процесс теплообразова­ ния необходим комплексный и всесторонний анализ.

. Зерна электрокорунда, монокорунда, карбида кремния и других абразивных материалов различаются по твердости, остроте кромок,

связкой

износоустойчивости, сродству с обрабатываемым металлом, склон­ ности к самозатачиванию. Так, зерна электрокорунда белого по сравнению с нормальным имеют более высокую твердость и более острые кромки, они легче внедряются в твердые металлы, что умень­ шает деформации поверхностного слоя металла и его нагрев. Кроме того, в кругах из электрокорунда белого содержится меньше примесей железа, которые способствуют налипанию металлических частиц на поверхность зерна. Зерна из монокорунда по сравнению с электрокорундовыми имеют повышенную механическую проч­ ность, лучше сохраняют острые кромки и вершины, а также облада­ ют хорошими свойствами самозатачивания. Применение их позво­ ляет снизить температуру шлифования ц прижоги [19, 30].

Налипание частичек металла на вершины режущих кромок аб­ разивного инструмента («засаливание» круга) считается [59] одной из основных причин повышения мгновенной температуры в зоне резания и появления прижогов.. Происходит оно, как правило, уже на затупленных режущих кромках. Интенсивность налипания зави­ сит прежде всего от продолжительности шлифования ихимического сродства абразивного и обрабатываемого материалов. Карбид кремния имеет относительно небольшое химическое сродство с металлокерамикой, твердым сплавом и жаропрочным чугуном, что обусловливает стойкость зерен карбида по отношению к диффузи­ онным и адгезионным видам износа при обработке этих материа­ лов [8]. Кроме того, эти зерна обладают высокой твердостью и со­ противлением к истиранию, что позволяет им дольше других мате­

14

риалов сохранять исходный радиус при вершине [30]. Поэтому абра­ зивный материал из карбида кремния широко используется при об­ работке твердых и жаропрочных сплавов, которые также имеют повышенную склонность к теплообразованию из-за низкого коэффи­ циента теплопроводности.

З е р н и с т о с т ь ш л и ф о в а л ь н ы х к р у г о в в зависимос­ ти от условий обработки может дать различный эффект на процесс теплообразования. Выше было показано, что при большей глубине

повышения режимов резания рекомендуют работать кругами мень­ шей зернистости — 8, 12, 16, вместо 25, 40. Для уменьшения темпе­ ратуры в зоне контакта исследователи стремятся снизить интенсив­ ность теплового импульса каждого зерна за счет уменьшения г и а, так как увеличение контактной температуры может привести к оплавлению тонкого поверхностного слоя режущей кромки абразив­ ных.зерен и налипанию металлических частиц [61].

Т в е р д о с т ь шлифовального круга в значительной степени определяет тепловую напряженность процесса шлифования: увели­ чение твердости приводит к увеличению температуры.

Влияние твердости круга на теплообразование в работе [44] объясняется следующим образом. Мостики связки, скрепляющие отдельные зерна, упруго деформируются. Но у мягких кругов это происходит в большей степени, чем у твердых, содержащих больше связки. Такое свойство связки позволяет выступающим зернам во время работы частично вдавливаться в шлифовальный круг, и тогда в работу может вступить дополнительно еще некоторое число разно­ высотных зерен. Поэтому мягкими кругами, как имеющими более тонкие и эластичные мостики связки по сравнению с твердыми, припуск на обработку снимается большим числом абразивных зе­ рен, но меньшими частями. Поэтому уменьшается слой металла, снимаемый одним зерном, глубина вдавливания каждого зерна, интенсивность тепловых импульсов и температура.

Следует заметить, что твердость круга влияет также на харак­ тер износа абразивных зерен [8], т. к. изменение упругой деформа­ ции мостиков связки и силы, удерживающей зерно от разрушения, меняет нагрузки, определяющие этапы износа. У мягких кругов самозатачивание наступает при меньших нагрузках, чем у кругов повышенной твердости. А это значит, что с увеличением твердости крута возрастает величина затупления зерна (радиус г его верши­ ны) и количество зерен 2ф. В результате этого повышается темпе­ ратура в зоне контакта.

В нормативах [35] приведены поправочные коэффициенты, характеризующие влияние твердости круга на потребляемую мощ­ ность в зависимости от вида шлифования (табл. 2). Эти данные можно рассматривать и как показатели влияния твердости круга на температуру и образование прижогов.

15

пор способствует лучшему самозатачиванию круга, уменьшает за­ саливание его поверхности, увеличивает интенсивность воздушного потока, который образуется за счет вращения круга [19, 44, 59].

Связка шлифовальных кругов существенно влияет на характер износа абразивных зерен. Круги на вулканитовой связке, в основ­ ном, работают в условиях самозатачивания, керамической — более склонны к режиму затупления. Бакелитовая связка является проме­ жуточной. Как отмечалось выше, от характера износа круга во многом зависит температура шлифуемой поверхности, поэтому при использовании вулканитовых кругов она будет ниже, чем у керами­ ческих [19]. Сопоставление экспериментальных данных [6, 8] показы­ вает, что примерно в равных условиях шлифования дорожек каче­ ния колец подшипников из стали ШХ15 (HRC 61—65), глубина прижога на керамических кругах была выше на 30—40%, чем на вулканитовых. Эта величина возрастала с -увеличением твердости круга и поперечной подачи.

Разновидности керамической связки также существенно отли­ чаются по своему влиянию на характер износа круга. Например, керамическая связка № 1 (круги красного цвета)' обеспечивает лучшие условия по самозатачиванию, чем •№ 5 — бсросодержащая (белые круги), поэтому и различна склонность кругов к образова­ нию прижогов.

Импрегнирование (пропитка) кругов в последние годы все шире внедряется в промышленности. Для улучшения эксплуатационных свойств абразивного инструмента шлифовальные круги пропиты­ вают различными импрегнаторами: бакелитом, серой, парафином, стеаринам и др. [24, 37, 66]. О влиянии пропитки на теплообразова­ ние и прижата в технической литературе и производственной -прак­ тике имеется несколько суждений:

16

При правке круга единичным алмазом температура шлифуемой поверхности во многом зависит от скорости правки и состояния правящего инструмента. С уменьшением скорости правки или за­ туплением алмаза вершины абразивных зерен сглаживаются, воз­ растает площадь контакта зерна с металлом, что приводит к увели­ чению мощности шлифования (рис. 9) [64].

7 Ф . f

В работе [31] показано, что температура шлифуемой детали зависит от времени шлифования, т. е. величины снимаемого слоя металла (припуска) между двумя правками (рис. 10). Поэтому в

18

автоматическом цикле врезного шлифования, где предусматривает­ ся работа круга в режиме затупления, на теплообразование влияет как место правки, так и величина снимаемого припуска между двумя правками. Например, исследование врезного бесцентрового шлифования желобов колец подшипников показало [64], что при работе кругами на керамической связке с применением в качестве СОЖ 5% водного раствора эмульсола НГЛ-205 место правки опре­ деляет только появление прижогов. Так, при круглом шлифовании прижоги появляются на четвертом-пятом кольце, а при внутрен­ нем — на первом после правки круга. В то же время профиль кру­ га сохраняется до 8-15-го и 3-6-го кольца соответственно. В связи с этим при внутреннем шлифовании желобов правку круга произ­ водили в середине цикла (перед чистовой подачей), а при круг­ лом — через три-четыре кольца. Это исключило появление прижо­ гов, но снизило производительность обработки.

Влияние режимов резания на процесс теплообразования и мощ­ ность шлифования. Из формул (1—8) видно, что увеличение скорос­ ти резания, интенсивности съема металла (s, а, Р 2, qt) и припуска дают повышение температуры и только увеличение скорости враще­ ния детали од снижает ее. В. то же время некоторые опубликован­ ные исследования расходятся в оценке влияния факторов, связан­ ных с режимами резания, на процесс теплообразования.

С к о р о с т ь р е з а н и я vK оказывает сложное воздействие на процесс теплообразования: увеличение ее в одних случаях вызывает повышение температуры, в других — снижение. Увеличение ои уменьшает толщину слоя снимаемого металла а [31], что влечет за собой уменьшение силы Pz , повышение стойкости инструмента [59], уменьшение износа абразивного зерна и радиуса его вершины. Поэтому можно предположить, что увеличение vKдолжно способст­ вовать снижению температуры в зоне шлифования. В то же время возрастает количество стружки, снимаемой в единицу времени [19], увеличивается число тепловых импульсов 2ф [44] и, главное, работа, затрачиваемая на преодоление сил трения и создание упругой и пластической деформации металла. Поэтому с повышением ок контактные температуры в зоне резания увеличиваются [9, 19, 44].

Повышение температуры с увеличением vKобъясняют также воз­ растанием воздушного потока у периферии круга, затрудняющего подвод охлаждающей жидкости в зону резания [62]. В работе [71] показано, что при вращении шлифовального круга со скоростью 33 м/сек, воздух от периферии отбрасывается с такой же скоростью и на расстоянии 12,5 мм скорость воздушного потока составляла 19,2 м/сек. При этом непосредственно над зоной контакта создается «воздушный клин», давление в котором достигает 8,4 кгс/смг. Исследования [70] аэро- и гидродинамических процессов, происхо­ дящих при шлифовании, показали, что круг ПП 70X50X20, вра­ щаясь со скоростью 35,7 м/сек, за 1 час перекачивает 13,5 м3 возду­ ха. Создаваемый турбулентный воздушный поток отбрасывает

19