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

СОЖ от обрабатываемой поверхности. При этом с увеличением vK затрудняется проникновение СОЖ в зону контакта.

Увеличение скорости резания, способствующее в одних случаях повышению температуры, в других — ее снижению, зависит от того, какой из теплообразующих факторов при увеличении vKстанет пре­ валирующим. Так, например, в работе [6] приведена эксперимен­ тальная зависимость (рис. 11), которая показывает, что при шлифо­ вании вулканитовыми кругами 1, работающими в условиях самоза­ тачивания, с увеличением vK глубина прижога h возросла. Это

Рис. 11. Зависимбсть глубины прижогов h от скорости вращения круга ак :

1 — при шлифовании вулканитовыми кругами желоба кольца шарикоподшип­ ника Ni 309/01 методом качения (сталь ШХ15, ИКС 61—64, од =105 м/мин,

может быть связано со снижением самозатачиваемости круга, уве­ личением площадок затупления зерен и повышением температуры. При обработке этой же стали керамическими кругами 2, работаю­ щими в условиях затупления [7], увеличение ик помогло снизить износные площадки, что оказало решающее влияние на снижение температуры и глубины прижога.

Некоторые, казалось бы противоречивые, сведения о влиянии нк на Тп можно встретить и в иностранной технической литературе; они приведены в обзоре [10]. Эти расхождения несколько объясняет исследование [75], в котором рассмотрена зависимость температуры от скорости шлифовального круга при плоском шлифовании раз­ личных марок сталей. Установлено, что с повышением vKпри обра­ ботке одних металлов температура увеличивается (из восьми образцов — у пяти), других — остается постоянной или несколько снижается. Указанная зависимость сохранилась и при замене вод­ ной СОЖ маслом. По данному эксперименту был сделан вывод: при обработке хорошо шлифуемых материалов с увеличением vK температура уменьшается за счет того, что силы резания снижаются больше, чем механическая мощность; при обработке трудношлифуемых вязких материалов сила резания снижается значительно

20

меньше, чем возрастает механическая мощность шлифования, вследствие чего возрастает и тепловыделение в поверхностном слое

толщины слоя металла, снимаемого за один оборот детали, длину контакта и интенсивность отвода тепла от шлифуемой поверхности.

Рис. 12. Зависимость средней контактной температуры шлифования Тк от скорости детали о д (обрабаты­

ваемый материал сталь 45 нормализованная, шлифо­ вальный круг 24А16М37К5 Q'=2 ммг1ммсек), получен­ ные при различных скоростях вращения круга:

/ — при а к=20 м/сек; 2 — при t>K=40 м/сек-, 3 — при ак ==80 м/сек

Рис. 13. Зависимость средней температуры Т п от скорости детали од, полученная при различных глубинах резания (шлифоваль­ ный круг ЕКЮОРВа, о к =60 м/сек, мате­ риал С15, сухое шлифование):

/ — при а=0,03 мм; 2 — при а=0,05 мм; 3 — при а= 0,1 мм; 4 — при а= 0,25 мм; б — при а=0,5 мм

С увеличением од температура в зоне резания снижается, как это видно из формул (2, 3) и по результатам исследований, данные из которых представлены на рис. 12, 13, 14. Однако в количественной

21

оценке влияния ид на температуру Тп и глубину прижогов h, авторы несколько расходятся, что, очевидно, связано с условиями проведе­ ния каждого эксперимента [66, 44, 54, 73, 75].

Рис. 14. Зависимость общей глубины структурно-измененно­ го слоя h от скорости враще­ ния детали v д при шлифова­ нии:

ный раствор кальцинированной соды

+0,15-0,2% NaNOa

Повышение ия при бесцентровых методах обработки может привести к появлению на базовых поверхностях детали специфич­ ных лишь для этого метода обработки прижогов — продольных по­ лосовых (при внутреннем шлифовании) или продольных и попереч­ ных полос (при наружном шлифовании).

Рис. 15. График зависимости коэффициента трения f от v д при бесцентровом шлифовании

Появление поперечных полос связано с неравномерностью вра­ щения детали на жестких опорах [65], что приводит к повышенному местному нагреву детали. Равномерность вращения зависит от коэффициента трения детали по жестким опорам, который возрас­ тает с увеличением скорости скольжения (рис. 15) из-за схватыва­ ния ювенильной поверхности свежеобработанного металла с мате­

22

риалом опор [28]. Экспериментальные исследования показали, что при скорости изделия 10—50 м/мин сохраняется постоянный коэф­ фициент трения (0,2), а явление схватывания выражено очень слабо. Начиная со скорости 50 м/мин возникают очаги схватыва­ ния, количество которых увеличивается пропорционально скорости скольжения. В диапазоне скоростей 50—85 м/мин коэффициент трения скольжения возрастает до 0,8.

Продольные полосовые натиры на базовой поверхности детали образуются в местах контакта детали с опорами из-за тепловыделе­ ний, возрастающих с увеличением скорости скольжения [60].

контакта, число абразивных зерен, участвующих в работе, силы ре­ зания, потребляемая мощность и температура шлифуемой поверх­ ности [6, 8, 20, 23, 44, 48]. Следует отметить, чтоинтенсивность съема металла в значительно большей степени влияет на Тп и УЭф, чем vK и Уд (см. рис. 13, 16‘,- 17), поэтому назначение величин t и s во многом определяют условия обеспечения бесприжогового шлифо­ вания.

23

Смазывающе-охлаждакнцие жидкости (СОЖ) при шлифовании сталей и сплавов существенно влияют на интенсивность теплообра­ зования, распределение тепла, температуру в зоне контакта, рабо­ тоспособность абразивного инструмента. В зависимости от режима и метода охлаждения в деталь уходит 60—80% тепла, в шлифо­ вальный круг — 9—13%, в стружку — до 8% и в СОЖ — До 15%. В воздушную среду уходит ничтожная часть общего тепла, пример­ но 0,07% [44]. Незначительный поток тепла, отводимый шлифоваль­ ным кругом, объясняется низкой теплопроводностью абразивного инструмента, которая в десятки раз ниже, чем у металла [19]. Как видно, значительная доля тепла распространяется в маЪсе обраба­ тываемого металла, который является первой охлаждающей средой. Попадающая на деталь СОЖ отводит от металла тепло со скорос­ тью, значительно меньшей, чем скорость теплообразования. Однако охлаждение позволяет снизить общую температуру нагрева детали, а также уменьшить интенсивность тепловыделения .в зоне резания. Например, в работе [62, 74] показано, что применение ох­ лаждения снизило контактную температуру на 150°—170° С, причем избыточная температура изделия не превышала 7° С (при достаточ­ но жестких режимах обработки) и 12° С при затупленном круге

(см', рис. 17).

В настоящее время доказано [17, 62], что улучшение охлаждаю­ щей способности жидкости не является основным фактором для уменьшения тепловых явлений. Так, например, вода обладает луч­ шими охлаждающими способностями, чем масло, но при использо­ вании в качестве СОЖ масла образуется меньше прижогов. Это объясняется тем, что уменьшение температуры в зоне резания свя­ зано со снижением коэффициента трения между абразивным зерном и обрабатываемой поверхностью. При использовании СОЖ обра­ зуются граничные смазочные пленки на поверхностях шлифоваль­ ного круга и обрабатываемой детали. Смазочное воздействие СОЖ может проявиться лишь в том случае, когда СОЖ проникает в зону контакта шлифовального круга с обрабатываемым металлом.'При этом происходит уменьшение работы трения давящих и режущих абразивных зерен, связки, стружки и отходов шлифования.

Огромную роль в создании граничных смазочных пленок играют поверхностно-активные вещества (ПАВ), проявляющие адсорбци­ онную активность на поверхностях раздела при шлифовальной об­ работке. К активным присадкам СОЖ относятся ПАВ органичес­ кого происхождения, молекулы которых состоят из углеводородного радикала и одной или нескольких полярных групп, а также хими­ чески активные компоненты органического и неорганического происхождения, которые при взаимодействии с металлом образуют химические соединения [25]. Толщина граничной пленки в некото­ рых случаях доходит до 0,1 мк, а скорость образования адсорб­ ционного слоя зависит от вида присадок и составляет порядка 10-io сек [26], т. е. на несколько порядков выше скоростных харак­ теристик процесса шлифования.

24

Механизм действия ПАВ при образовании поверхностных пле­ нок достаточно подробно рассмотрен в работе [72]. Водные растворы обеспечивают смазку благодаря образованию пленки между двумя трущимися поверхностями. При увеличении температуры и давле­ ния между этими поверхностями пленка разрушается. В этом слу­ чае необходимая смазка может быть обеспечена применением специальных присадок для высоких давлении. Реакция серы и хло­ ра на только что обработанную поверхность металла заключается в образовании сульфидов и (или) хлоридов металла. Хлориды пла­ вятся при температурах 370—704° С, а сульфиды — 1000—1200° С. Следовательно, когда температура в зоне резания приближается к точке плавления хлорида, образуется жидкая пленка, способная выдержать относительно высокие нагрузки. Однако при большей нагрузке и температуре пленка хлорида разрушается, в результате снова увеличивается трение. По мере возрастания температуры расплавляются сульфиды, и снова образуется смазывающая пленка. Важное значение имеет правильное соотношение активных приса­ док в каждом конкретном случае. Слишком большая активность сульфидов может быть вредна: если температура при шлифовании недостаточна для их расплавления, образовавшиеся сульфиды пе­ реходят в твердое состояние, что приводит к увеличенному износу круга.

Насколько велико значение активных свойств СОЖ, показывает

увеличить интенсивность съема металла почти втрое, без опасения появления прижогов. Бели при внутреннем шлифовании стали ШХ15 (HRC 61—65) для диаметра 50 мм предельная чистовая по­ дача на сторону составляла 0,3—0,4 мм/мин, то при использовании СОЖ с ПАВ — около 1,0 мм!мин [64].

. Наиболее высокими смазывающими свойствами обладают мас­ ляные СОЖ. Они существенно снижают температуру в зоне шли­ фования и глубину прижога. В работе [40] представлен график (рис. 18), показывающий влияние различных СОЖ на степень прижога при шлифовании стали 12Х2Н4А кругом ЭБ25СМ2К. Из графика видно, что лучшие результаты получены при шлифовании с охлаждающей смесью вазелинового масла (75%) и масла для гипоидных передач (25%). Водные же растворы, несмотря на высо­ кий коэффициент теплоотдачи, не позволяют заметно снизить тем­ пературу в зоне резания. Это еще раз показывает, что интенсив­ ность образования прижогов уменьшается в большей степени не за счет теплоотвода, а за счет улучшения условий резания и умень­ шения сил трения.

Следующее важное качество прогрессивных водных СОЖ с ПАВ и масел связано с их влиянием на уменьшение износа абра­ зивных зерен и налипания частиц металла на износные площадки. Как показано в работе [61], износ круга в зависимости от состава

СОЖ может существенно меняться (рис. 19). При врезном шлифо­ вании увеличение критических площадок износа, определяемых появлением прижогов, снижает стойкость абразивного инструмен­ та — длительность шлифования между двумя правками.

СМ3/мин

Экспериментальное исследование влияния СОЖ на длительность шлифования, приведенное в работе (74], показало следующее: с уве­

26

уменьшению площадки износа, т. е. снизило затупление абразивно­ го зерна, уменьшило трение, налипание и поэтому сделало возмож­ ным значительно большее число проходов до появления прижогов.

Из примеров, приведеных в технической литературе, следует, что температура шлифования и образование прижогов зависят от взаимного воздействия всех факторов на условия обработки. По­ этому влияние одних и тех же факторов на температуру и прижоги в разных условиях может быть различным. С увеличением интен­ сивности съема и ухудшением обрабатываемости материалов роль каждого фактора возрастает.

ХАРАКТЕР ПРИЖОГОВ И ИХ ПРИЧИНЫ

Структурные изменения поверхностного слоя металла являются результатом температурных явлений, протекающих в зоне резания и распространяемых вглубь обрабатываемой поверхности. При этом характер и глубина структурных изменений определяются величи­ ной температуры и интенсивностью охлаждения детали. Принци­ пиальная схема теплопередачи в поверхностных слоях металла пред­ ставлена на рис. 20 [23]. Из схемы следует, что если температура в зоне шлифования превысит температуру фазовых превращений ста­ ли (~730°С ), под влиянием обильного охлаждения появится слой вторичной закалки. Если нагрев будет меньшим, поверхностный слой получит вторичный отпуск.

h ) М М

Рис. 20. Распределение тепла вглубь образца:

I — слой вторичной закалка; 2 — слой вторичного отпуска; 3 — исходное состояние закаленной стали.

Встречающиеся в практике шлифования прижоги [2, 23, 29] по своей структуре могут быть в виде: отпущенного слоя металла, по­ степенно переходящего в исходную структуру (рис. 21, а); приняв-

27

шего вторичную закалку слоя металла, расположенного на мягкой основе отпущенного слоя, переходящего в нормальную структуру (рис. 21, б); отпущенного слоя на слое вторичной закалки, в свою очередь лежащего на размягченном слое, переходящем в структуру исходной стали (рис. 21, в).

Рис. 21. Виды структурных превращений поверхностного Слоя шлифуемого металла:

Для зоны вторичной закалки, по сравнению с исходной структу­ рой, характерно увеличение твердости и количества остаточного аустенита. Для отпущенных слоев типичны структуры троостита, троостомартенсита и снижение твердости. Значительные по глубине слои вторичного отпуска уменьшают твердость от 61—64 до 45—44

HRC (67].

Глубина структурно-измененного слоя h по данным различных авторов может составлять: ~ 5 мк для слоя вторичной закалки [2],

Расхождения в оценке глубины прижога можно объяснить разными

слоя и тем самым повысить точность замеров. Другой способ опре­ деления h —методом многократного травления с промежуточным съемом металла по 2—5 мк ручной полировкой [6]. В производст­ венной практике структурные изменения обычно выявляют методом холодного травления детали в 5%-ном водном или спиртовом раст­ воре азотной кислоты с последующим их осветлением в 10%-ном

28

водном растворе хромового ангидрида. Метод основан на различ­ ной (по цвету) травимости структурно-измененных зон и нормально обработанной стали.

Типовой технологический процесс холодного травления по нор­ мали ВНИПП № И101—65 состоит из следующих операций: раз­ магничивание колец (при необходимости); обезжиривание деталей

вводно-щелочных растворах или бензине; промывка их в горячей воде (с применением щелочных растворов); последующая промывка

вхолодной проточной воде (с применением щелочных растворов); травление в 5%-ном водном или спиртовом растворе азотной кисло­ ты или спиртовом растворе пикриновой кислоты (выдержка в ванне до 2 мин); промывка в холодной проточной воде; осветление дета­ лей в 10%-ном водном растворе хромового ангидрида с добавлени­ ем серной кислоты 4—6 г/л (выдержка до 2 мин); промывка в хо­ лодной проточной воде; дополнительное осветление в водном раст­ воре соляной кислоты 40—50 г/л (выдержка до 2 мин) ; промывка

вхолодной проточной воде; нейтрализация в содовом растворе; промывка в холодной проточной воде; антикоррозионная обработка; контроль глазным осмотром.

На протравленной поверхности глазным осмотром можно обна­ ружить:

зоны вторичного отпуска, представляющие собой участки повы­ шенной травимости, которые проявляются в виде тонких темныхштрихов на сером фоне (иногда в виде полос и пятен). В техничес­ кой литературе и практике их называют прижогами вторичного отпуска;

зоны вторичной закалки, представляющие собой участки пони­ женной травимости в виде белых штрихов, полос или пятен, ограни­ ченных темной оторочкой; их принято называть прижогами вторич­ ной закалки;

мягкие троостичные пятна (темного цвета с размытыми грани­ цами);

обезуглероженные участки — светлые пятна с размытыми грани­ цами без темной оторочки.

Следует отметить, что травление в спиртовых растворах кислот более контрастно выявляет прижоги, чем травление в водных раст­ ворах. Поэтому спиртовые растворы применяют, например, при травлении колец подшипников, прошедших высокотемпературный отпуск, после которого они обладают пониженной травимостью в водных средах.*Для контроля жаропрочных и нержавеющих сталей следует применять спиртовые растворы пикриновой кислоты вместо азотной.

Кпреимуществам холодного травления следует отнести простоту

иоперативность процесса, а также наглядность дефекта; к недо­ статкам — субъективность оценки качества поверхности, зависящей от квалификации контролера; удаление с детали слоя металла, тол­ щина которого зависит от условий и продолжительности травления, что может привести к появлению брака; пониженная усталостная

29