книги из ГПНТБ / Маслов, Е. Н. Теория шлифования материалов

зации) возрастает, поэтому сопротивление деформирова­ нию и энергия, необходимая для разрушения металла, снижаются. При значительном повышении температуры твердого тела его поверхностная энергия резко снижается, а пластичность соответственно повышается. Это обеспечи­ вает значительное снижение условного напряжения со смещением кривой напряжения вправо, в сторону больших

Рис. 54. Изменение условного напряжения микрорезания при возрастании температурно-скоростного фактора (AB, зона I —■ пластическое деформирование; ВС, зона I I — микрорезание); шлифование на скоростях;

/низких; 2 — средних; 3 — высоких

глубин деформирования (рис. 54). Указанное смещение вызывается увеличением деформирования металла в связи с повышением его пластичности и возрастанием подвиж­ ности атомов.

При микрорезании деталей из незакаленной стали 40 на скоростях от 1 до 1300 м/мин алмазным конусом (р =

тически постоянной независимо от скорости микрореза­ ния; 2) ширина царапин уменьшалась в диапазоне скоро­ стей 1—20 м/мин и возрастала в диапазоне скоростей 20— 1300 м/мин. Отмеченные закономерности свидетель­ ствуют о снижении пластичности при повышении скорости резания-царапания от 1 до 20 м/мин и об увеличении пла­ стичности при повышении скорости от 20 до 1300 м/мин,

91

Если сила Ру и сечение среза являются постоянными, то увеличение скорости резания обеспечивают снижение

силы Рг.

При микрорезании мягкой стали на скоростях от 0,02 до 5 м/с замечено образование нароста на царапающем эле­ менте, изменяющего его геометрию в направлении облег­ чения деформирования металла и срезания микростружки.

Процесс суммарного микрорезания при шлифовании

Процесс снятия отдельной стружки шлифующим зерном круга в результате сдвига элемента включает скольжение зерна по поверхности обрабатываемого металла и сдвиг элемента металла. Скольжение зерна, имеющее место в первый период резания, происходит последовательно

Рис. 55. Схема снятия стружки шлифующим зерном при обработке пластичного материала (металла):

а — скольжение зерна и начало упруго-пластического деформирования (сжа­ тия) металла, расположенного под зерном; б — возрастание упруго-пласти­ ческого деформирования; в — дальнейшее возрастание упруго-пластического деформирования; г — начало сдвига элемента металла

в точках А, В и С (рис. 55). Такое скольжение сопровож­ дается упруго-пластическим деформированием (смятием) металла, расположенного под зерном, увеличением тол­ щины слоя металла, приходящегося на зерно, и возраста­ нием величины сил, действующих на него. Начало сдвига элемента металла произойдет в некоторой точке D, когда сила резания, приложенная к слою на передней поверх­ ности шлифующего зерна, окажется достаточной для сдвига элемента. При снятии стружки зерном соотношение между продолжительностью скольжения и резания (в про­ центах) зависит от фактического угла резания (царапания), определяемого отношением толщины снимаемого слоя к ра­ диусу округления вершины зерна (аг/р). Более острые

92

зерна, имеющие меньшии радиус окружности вершин, обеспечивают меньшую величину скольжения.

При определенных условиях, например при шлифова­ нии стали абразивным кругом с высокими режимами микрорезанйя, может быть обеспечено даже расплавление от­ деляемого элемента. В этом случае шлифующее зерно как бы «выскабливает» высокопластичный тончайший слой металла. При наличии шлифующего зерна, обеспе­ чивающего достаточно благоприятные условия стружкоотделения (положительный или небольшой отрицательный передний угол, значительное отношение a j р и др.), ока­ зывается возможным снятие стружки в результате сдвига элементов. В этом случае происходит повышение темпера­ туры отделяемого слоя металла (стружки), но без его плавления.

Анализ отходов шлифования подтверждает постоянное наличие в них как элементов застывшего (после расплавле­ ния) металла, так и наличие стружек с заметными линиями сдвигов на них, т. е. стружек, не претерпевших расплав­ ления. Такие стружки напоминают (при должном увели­ чении) стружки, снятые при весьма тонком скоростном фрезеровании. Различные геометрические параметры шли­ фующих зерен и различные отношения ajp обеспечивают различную степень оплавленности шлифовальных стружек. Динамическое приложение силы, сопровождающей снятие стружки зерном, обеспечивает пластическое деформиро­ вание лежащего ниже слоя металла.

При микрорезании достаточно пластичных металлов снятие стружки на повышенных скоростях возможно при средних отрицательных углах не выше у = ■—45-н —50°,

передние углы шлифующих зерен, наблюдается сильное пластическое деформирование металла или даже скольже­ ние зерен по металлу; 2) при k я» 0,5 возможно микрореза­ ние пластичного металла, если его пластичность повышена в результате увеличенной скорости резания; 3) при k

О 0,5 происходит процесс микрорезания, причем при k «=* я« 1,0 микрорезание обеспечивается стабильно во всех случаях. По мере затупления шлифовального круга, из­ носа зерна и уменьшения a j р значение микрорезания сни­ жается, а значение трения скольжения возрастает.

93

Особенности процесса алмазного шлифования

Процесс алмазного шлифования п-о сравнению с обыч­ ным абразивным шлифованием имеет свои особенности, которые определяются прежде всего свойствами алмазного зерна — его активным химическим взаимодействием с желе­ зосодержащими сплавами, высокой остротой кромки, тер­ моустойчивостью и др. Кроме того, алмазное шлифование производится с меньшими нагрузками на зерно по сравне­ нию с абразивным шлифованием. Все это вносит опрёделенное изменение в процесс снятия стружки при алмазном шлифовании и в сопровождающие его явления.

В процессе алмазного шлифования существенное зна­ чение имеет связка, необходимая для цементирования зерна и влияющая на величину сил трения, развиваю­ щихся в процессе обработки. Соотношение между количе­ ством зерна, связи и наполнителя в круге во многом определяют эффективность алмазного шлифования. При алмазном шлифовании более высокие отношения твердости

зерна к твердости обрабатываемого материала ( kH = -

и толщин срезов к соответствующим радиусам округления

сплавов ВК6М, Т30К4 и ЦМ332 кругами из зеленого кар­ бида кремния при температуре 600° С, kH= 1,5 н-2,5, а при обработке алмазными кругами &н = 7н-12. Соответст­ венно kp в 1,5—2,0 раза выше, чем при обработке кругами из карбида кремния. Все это обеспечивает уменьшение скольжения и сил трения при врезании алмазных зерен в Обрабатываемый материал по сравнению с абразивным.

При алмазной обработке сталей происходит пластиче­ ское деформирование и срез стружек, которые состоят из соединенных между собой элементов. Подобные «сустав­ чатые» стружки, но со слабо связанными мелкими элемен­ тами, образуются и при алмазной обработке твердых сплавов, что свидетельствует о наличии среза и в этом случае.

Изучение обработки твердого сплава специальным безалмазным кругом на связке Б1, т. е. только зернами на­ полнителя — карбида бора, позволило получить каче­ ственную и количественную оценку процесса. Удельное

94

значение связки в общей работе резания является весьма незначительным. Взаимодействие связки с обрабатывае­ мым материалом заключается прежде всего в трении, существенно влияющем на процесс теплообразования.

Характерной особенностью процесса микрорезания при алмазном шлифовании является разрушение обрабатывае­ мого материала главным образом срезом, что подтверж­ дено, например, электронномикроскопическим изучением следов единичных зерен и обработанной алмаз­ ными кругами поверх­ ности деталей из различ­ ных твердых сплавов.

При обработке твер­ дого сплава алмазным кругом шлифованная поверхность представ­ ляет собой результат действия следов отдель­ ных зерен и характер­ ные для твердых спла­ вов поры остаются не закрытыми. Следы хруп­ кого разрушения и вырывы наблюдаются на участках, находивших­ ся в контакте с зернами наполнителя. На шли­

фованной поверхности не обнаруживается признаков пла­ стического выдавливания или существенного вязкого раз­ мягчения или разрушения.

При алмазном шлифовании деталей из стали Р18 уста­ новлено явление адгезии, вызывающее микровырывы на шлифованной поверхности. С увеличением нагрузки на алмазные зерна число таких микровырывов резко возрас­ тает.

При легких (чистовых и отделочных) режимах, когда в зоне резания развиваются невысокие температуры и давления, алмаз круга не вступает со сталью в заметное химическое взаимодействие. При повышении режима ре­ зания, роста температур и давлений возникает схватыва­ ние ювенильных пластичных участков поверхностей ал­ маза и обрабатываемого материала. Разрушение такого схватывания возможно как на алмазе, так и на обрабаты­

95

Г ла ва III

ДИНАМИКА ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ

Силовые зависимости

Силы резания при шлифовании являются результатом взаимодействия рабочей поверхности шлифовального ин­ струмента с обрабатываемой деталью. В результате такого взаимодействия режущие элементы шлифующи-х зерен снимают мельчайшие (по размерам) стружки и поэтому силы, развиваемые отдельными зернами, являются незна­ чительными по своей величине. Однако вследствие массо­ вого микрорезания большим количеством одновременно работающих зерен суммарные силы резания могут дости­ гать значительных величин. Иногда мощность привода шлифовального станка является ограничивающим факто­ ром при назначении режимов шлифования.

С увеличением сил резания при шлифовании возрас­ тают отжатия элементов в технологической системе СПИД, увеличивается износ круга и сокращается период его стой­ кости, повышается температура в зоне резания и в поверх­ ностных слоях детали, увеличивается шероховатость и сни­ жается точность отработки. Поэтому вопросы динамики шлифования являются предметом большого количества исследований.

При шлифовании различают силы резания: шлифоваль­ ным кругом (суммарную) и одним шлифующим зерном. Суммарная сила резания Р шлифовальным кругом счи­ тается составленной из сил: нормальной или радиальной Ру, тангенциальной Рг и подачи Рх (рис. 57).

При шлифовании, когда микрорезание осуществляют одновременно большое количество зерен, суммарная нор-

мальная сила Ривсегда больше суммарной тангенциальной

Результаты, полученные при исследовании динамики шлифования, используются для расчетов, связанных с определением точности обработки, мощности станков,

Рис. 57. Сила резания Р при шлифовании и ее составляющие Р у ,

Рг. Рх-

апри круглом шлифовании периферией круга; 6 — при плоском шлифова­

нии торцом круга

необходимой жесткости технологической системы СПИД, для аналитического определения интенсивности теплооб­ разования в зоне шлифования и температурного поля в шлифуемой детали, для определения износостойкости алмазных кругов и других технологических решений.

Методы измерения силы резания и ее составляющих

Экспериментальное определение величины и характера изменения сил резания при шлифовании производилось многими исследователями с применением различных изме­ рительных средств. На первых этапах исследовательских работ мощность, развиваемая электродвигателем при шли­ фовании, измеряли с помощью ваттметров.

Величину тангенциальной составляющей силы реза­ ния определяли расчетным путем:

где Nэ — эффективная мощность в кВт, развиваемая на шпинделе; укр — окружная скорость круга в м/с,

98

Проволочные датчики, наклеенные на вертикальных плоскостях переднего и заднего центров, соединены в один мост и используются для измерения силы Ру (рис. 59). Датчики, наклеенные на горизонтальных плоскостях обоих центров, используются для измерения силы Рг.

Износ шлифовального круга в процессе обработки изме­ ряется при помощи пружинного устройства, на котором смонтированы проволочные датчики сопротивления. Для

Рис. 58. Схема расположения отдельных устройств установки для записи основных показателей процесса шлифования:

/ — сил Ру и Рг; 2 — износа круга; 3 — съема металла

этой цели упругая плоская пружина — щуп, связанная со* шлифовальной бабкой станка, непрерывно касается обра­ батываемой поверхности шлифуемого образца. Деформа­ ция пружин воспринимается наклеенными на нее датчи­ ками сопротивления и регистрируется соответствующим прибором. Для измерения и записи съема металла приме­ нено аналогичное пружинное устройство.

Комплекс записей, полученных на рассматриваемой установке при измерении составляющих силы резания, износа круга и съема металла в процессе шлифования, при­ веден на рис. 60. В процессе шлифования вёличины сил резания не являются стабильными, а изменяются на неко­ торые величины АРу и АР2 (рис. 60, а, б). Такие измене­ ния сил резания объясняются влиянием на процесс шли­ фования высокочастотных и низкочастотных вибраций

100