книги из ГПНТБ / Маталин, А. А. Новые направления развития технологии чистовой обработки

пая энергия и напряжение сдвига уменьшаются еще в семь-восемь раз.

Приведенные данные теоретических и эксперименталь­ ных исследований процесса резания при снятии особо тонких стружек показывают, что несмотря на общую природу процесса шлифования и других методов обработ­ ки резанием специфика шлифования, связанная с незна­ чительностью размеров снимаемой стружки, настолько велика, что различия между этими процессами приобре­ тают не только количественный, но и принципиальный качественный характер. Значительное повышение удель­ ной силы резания при снятии тонких шлифовальных стружек и возможность протекания процесса в зоне осо­ бых свойств металла, близких к области его теоретиче­ ской прочности, заставляет рассматривать процесс шли­ фования как особый вид обработки металлов резанием.

Высокая скорость резания. Скорость резания при обычном шлифовании составляет 30 м/сек, а при ско­ ростном — 50 м/сек. В настоящее время внедряется высо­ коскоростное шлифование, скорость резания которого достигает 80—90 м/сек, в 10—50 раз превышающие ско­ рости резания, применяемые в настоящее время при ско­ ростном точении и фрезеровании твердосплавными и минералокерамическими режущими инструментами. В процессе резания при высоких скоростях изменяются механические свойства металлов. Известно, что с увели­ чением скорости все сопротивления деформации растут. Особенно сильно влияние скорости сказывается на вели­ чине предела текучести и несколько меньше — на временном сопротивлении.

Высокие скорости резания металла отдельными абра­ зивными зернами придают процессу шлифования динами­ ческий характер, приближая деформацию к условиям удара. Динамический характер процесса резания при шлифовании способствует развитию внутрикристаллических деформаций и увеличению энергии искаженной

11

кристаллической решетки. М. А. Большанина [17] указы­ вает, что «...в процессе пластической деформации металл должен поглощать энергию, которая и переводит его из устойчивого неупрочненного состояния в неустойчивое упрочненное.

Как известно, при пластической деформации выделя­ ется теплота, следовательно, затрачиваемая на деформа­ цию работа необратимо превращается в тепло; однако не вся работа выделяется в виде тепла, а часть ее превра­ щается в потенциальную энергию искаженной решетки...

Опыты ряда ученых показали, что поглощенная энергия * составляет от 10 до 15% от полной энергии деформации,...

а... при динамическом действии силы этот процент дохо­ дит до 25% работы и им пренебрегать уже нельзя».

Увеличение поглощенной энергии при высоких скоро­ стях деформирования дает основания ожидать при шли­ фовании более высокой степени упрочнения поверхност­ ного слоя, чем это имеет место при других методах обработки резанием.

Неблагоприятная геометрическая форма абразивных зерен. Зерна шлифовального круга представляют собой осколки кристаллов электрокорунда (окись алюминия АЬОз) или карборунда (карбид кремния SiC), раздроб­ ленные в специальных дробильных машинах с целью из­ мельчения и создания острых режущих кромок. По своей форме абразивные зерна являются многогранниками не­ определенной формы. Углы при вершинах многогранни­ ков в большинстве случаев тупые, равные 100—114° и изменяются в зависимости от зернистости и материала абразива. Количество острых углов при вершинах (менее 90°) составляет 12—25%. Вершины многогранников име­ ют закругленную форму с радиусом округления, изменяю­

* Под «поглощенной энергией» здесь понимается часть энергии деформации, которая превращается в потенциальную энергию иска­ женной решетки.

12

щимся от 0,7 до 100 мкм в зависимости от зернистости круга. В связи с такой формой абразивных зерен при их закреплении в связке круга образуются отрицательные передние углы и тупые углы резания. Для большинства абразивных зерен отрицательные передние углы прево­ сходят величину у = —45°, а углы резания—135°.

Установлено, что при резании абразивными зернами с большими отрицательными передними углами имеет место значительный наклеп поверхностного слоя метал­ ла. Это дает основание ожидать в процессе шлифования упрочнения поверхностного слоя металла в значительно большей мере, чем при других методах обработки реза­ нием.

Повышенное влияние трения. Неблагоприятная геомет­ рия абразивных зерен — большие отрицательные углы и наличие округления вершин абразивных зерен — при снятии тонких стружек затрудняет процесс резания и при определенных условиях приближает его к процессу тре­ ния. Значительная часть энергии при шлифовании рас­ ходуется на преодоление сил трения. Это находит свое выражение в изменении соотношения составляющих уси-

P v

лия резания -JL, которое при резании металлическим ин-

р г

струментом обычно составляет величину порядка 0,3—0,5.

иизменяется в зависимости от толщины снимаемого слоя

впределах от 1,9 до 5,0. С уменьшением толщины сни-

Р

маемого слоя отношение ~ъ~ увеличивается, что свиде-

~Z

тельствует о возрастании в общей деформации доли трения и смятия металла и уменьшении доли резания, а следовательно, о снижении общей эффективности процес­ са шлифования.

Высокая твердость и теплостойкость абразивов. Все абразивные материалы, применяемые для шлифования,

13

отличаются высокой твердостью, в большинстве случаев сохраняющейся при нагревании до высоких температур

(табл.1).

Таблица 1

Микротвердость и теплостойкость абразивных материалов

Высокая твердость и теплостойкость абразивных ма­ териалов делает возможным обработку шлифованием любых машиностроительных материалов.

Высокое нагревание обрабатываемого материала и стружки. Диспергирование металла при шлифовании и снятие тончайших стружек, высокие скорости резания, неблагоприятная геометрия абразивных зерен и повы­ шенное трение в зоне резания приводят к возникновению в зоне шлифования значительного количества тепла. Как показали многочисленные исследования, в зоне прохо­ ждения абразивного зерна развиваются мгновенные тем­ пературы, превосходящие критические точки для стали и даже достигающие температуры ее плавления. При этом в поверхностном слое металла устанавливается средняя температура в пределах 120—600°С, изменяю­ щаяся в зависимости от режимов шлифования, механиче­ ских и теплофизических характеристик обрабатываемого материала.

Высокие мгновенные и средние температуры нагрева

14

зоны резания и поверхностного слоя обрабатываемого изделия накладывают отпечаток на протекание и резуль­ таты процесса шлифования.

При высоком нагреве изменяются механические и тех­ нологические свойства обрабатываемого металла. Поэто­ му во многих случаях усилия и потребная мощность, а также производительность шлифования зависят не от механической прочности обрабатываемых материалов, а от их жаропрочности. При высоком нагреве усиливается окисление тонкой шлифовальной стружки, ее оплавление и сгорание. Возникновение на стружке хрупкой пленки окисла облегчает ее удаление с поверхности круга и из его пор, предотвращает засаливание круга и облегчает протекание процесса шлифования. Этому же служит оп­ лавление стружки, уменьшающее ее размеры и сгорание. Сгоранию и окислению стружки способствует наличие в обрабатываемом материале химических элементов, спо­ собствующих коррозии, таких как углерод. Установлено, что при увеличении в стали содержания углерода процесс шлифования облегчается и удельная производительность возрастает. Как известно, при обработке стали металли­ ческим инструментом влияние повышения содержания углерода, сопровождающееся повышением механической прочности стали, диаметрально противоположно и ведет к повышению усилий и потребной мощности резания. При увеличении в шлифуемом материале содержания элемен­ тов, повышающих устойчивость сплава против коррозии (хром, никель, кремний, отчасти марганец), окисления и сгорания стружки не происходит и удельная производи­ тельность шлифования резко снижается [8].

При высоких температурах нагрева зоны резания на протекание процесса шлифования оказывает влияние хи­ мический состав обрабатываемого материала, его способ­ ность к образованию химических соединений с абразивом, взаимная диффузия и адгезия. Так, «химическое срод­ ство» алмаза и углеродистых сталей, «налипы» металла

15

на абразивных зернах, быстрое засаливание кругов при шлифовании жаропрочных сплавов, адгезионный износ абразивов и другие явления, снижающие производитель­ ность и эффективность шлифования, являются следствием интенсификации химических и диффузионных процессов под влиянием высокого нагрева при шлифовании. В связи с этим при шлифовании некоторых труднообрабатывае­ мых материалов возникает необходимость подбора аб­ разивных материалов по их химическому составу и свойствам и установления рациональных методов охла­ ждения.

Высокий нагрев зоны шлифования оказывает воздей­ ствие не только на протекание процесса резания, но в значительной мере влияет на состояние обработанной поверхности.

Под действием высокого мгновенного нагрева и быстрого охлаждения в поверхностном слое металла фор­ мируются значительные по величине остаточные напря­ жения растяжения, в большинстве случаев снижающие эксплуатационные качества изделий.

При шлифовании закаленной стали высокий нагрев поверхностного слоя вызывает структурные изменения в металле, появление участков пониженной твердости (прижоги) и шлифовочных трещин. Возникновение подобных дефектов шлифованной поверхности резко снижает ее эксплуатационные качества, заставляет тщательно под­ бирать режимы и условия шлифования и ограничивать повышение его производительности.

Снятие тончайших стружек. Снятие тончайших стру­ жек и малые суммарные усилия шлифования дают воз­ можность обрабатывать детали очень высокой точности. Малые усилия шлифования вызывают незначительные упругие отжатая в системе СПИД, что способствует по­ лучению точной геометрической формы обрабатываемых изделий. Благодаря этому современные методы шлифова­ ния позволяют достигать в производственных условиях

16

необходимым разработку методов обработки деталей с повышенной точностью на металлообрабатывающих стан­ ках. К числу таких методов обработки следует отнести способ шлифования повышенной точности, применяемый па некоторых заводах Ленинграда. Этот способ шлифо­ вания позволяет обрабатывать детали диаметром от 8 до 110 мм, обеспечивать точность по диаметру в пределах допуска 0,002—0,003 мм при овальности и конусности в пределах 0,001—0,002 мм, а величину зазора в сопряже­ ниях — в пределах 0,002 мм. При этом шероховатость по­ верхности деталей находится в пределах 9—10 классов.

Шлифование повышенной точности основывается на снятии абразивным кругом за каждый проход тончайших слоев металла (порядка 0,0005 мм) и на использовании упругих отжатий в системе станок — деталь — инстру­ мент.

Установлено, что для достижения высокой точности необходимо иметь инструмент, которым можно снимать очень тонкие слои металла, а также создать станки с ме­ ханизмами поперечных подач, позволяющими осущест­ влять малые перемещения режущих инструментов и про­ изводить установку последних на размер с требуемой высокой точностью (в пределах погрешностей 0,0005— 0,001 мм).

Абразивными кругами можно снимать тончайшие стружки, однако механизмы поперечной подачи существу­ ющих круглошлифовальных станков настолько инерци­ онны, что с их помощью особенно точная установка круга на размер невозможна.

В то же время было замечено, что при упругих отжатиях системы станок — деталь — инструмент определен­ ные шлифовальные станки при обработке одних и тех же или одинаковых по жесткости деталей имеют постоянные по величине относительные поперечные перемещения си­ стемы шлифовальный круг — деталь, определяющие ве: личину диаметральных размеров обрабатываемых дета­

18

лей. Благодаря этому при шлифовании с выхаживанием за каждый проход круга снимается определенная для данной детали (0,0005—0,001 мм) толщина слоя металла. Это делает возможным при шлифовании с выхаживанием производить корректировку размера обрабатываемой де­ тали на любую величину (соответствующую или кратную толщине слоя металла, снимаемого за каждый ход выха­ живания) путем назначения определенного числа допол­ нительных ходов выхаживания. Этот принцип положен в основу метода шлифования повышенной точности.

При осуществлении шлифования повышенной точно­ сти используют абразивные круги зернистостью 100/80— 125/100 с твердостью М3 и СМ1, на керамической связке. При обработке стали применяются круги из белого элек­ трокорунда (ЭБ), а при обработке чугуна — из карбида кремния (КЧ). Правка круга осуществляется острым алмазом при продольной подаче 0,2 м/мин, поперечной подаче на первых проходах алмаза — до 0,03 мм/ход и на последующих проходах — до 0,01 мм/ход, после чего правка продолжается без поперечной подачи алмаза до прекращения съема абразива. Правка производится пред­ почтительно с автоматической подачей.

Шлифование осуществляется при следующих режимах резания: скорость круга 20—30 м/сек, скорость вращения детали 10—30 м/мин, продольная подача на оборот дета­ ли 0,1—0,3 ширины круга.

Поперечная подача круга производится таким обра­ зом, что основная часть припуска снимается при шлифо­ вании за несколько проходов при уменьшении величины поперечной подачи на каждый ход. После того, как на обрабатываемой детали остается припуск порядка 0,01— 0,02 мм на диаметр, по лимбу поперечной подачи уста­ навливают глубину резания с расчетом снятия всего оставшегося слоя металла и делают некоторое количест­ во проходов без дополнительной поперечной подачи, т. е. несколько ходов выхаживания. Затем станок останавли­

2* 19