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

сдвига стружки и наложение тепловых импульсов (от системы работающих зерен) не учитывалось. Хотя первые теоретические исследования были выполнены с большим числом допущений, все же удалось установить, что при определенных условиях температура стружки бывает близка к температуре плавления обрабатываемого ме­ талла.

Для формирования научного направления в изучении тепловых явлений при резании весьма эффективной ока­ залась теория нагрева металла местными быстродвижу­

исходя из местного мгновенного источника теплоты, в соответствии с основными закономерностями тепло­ передачи. При этом определялось количество теплоты, возникающей в зоне шлифования в единицу времени, и устанавливалось распределение полученной теплоты между деталью, кругом и смазочно-охлаждающей жидкостью с учетом перемещения источника теплоты.

Указанное допущение позволило получить основные закономерности тепловых явлений при шлифовании, ис­ ходя из дифференциального уравнения теплопроводности,

где Ѳ— температура точки тела с координатами х, у, г, связанных с источником теплоты; т — время; X — коэф­ фициент теплопроводности, зависящий от температуры; ф п — объемная теплоемкость тела (с — удельная тепло­ емкость, рп — плотность) ѵх, ѵу, ѵг — проекции вектора скорости на оси х, у, г.

Уравнение (94), написанное для каждого из тел, уча­ ствующих в процессе шлифования (например, для круга и детали), при определенных исходных и конечных усло­ виях позволяет определить температуры, развивающиеся

121

Если допустить, что температурное поле в зоне шли-

'фования является полубезграничным, т. е. одномерным, то дифференциальное уравнение (94) теплопроводности упрощается и приводится к уравнению в частных произ­ водных, определяющих распространение теплоты на глу­ бину:

Если на поверхности полубезграничного тела мгно­ венно действует плоский источник теплоты, то решение уравнения (94) будет следующим:

Для определения температуры, исходящей от плоского источника теплоты, действующего в течение времени т0,

Гаусса или функции Крампа, которые можно определить

странения теплоты от плоского источника на поверхности полубесконечного тела без учета охлаждения при абра­ зивном шлифовании.

122

В результате расчета установлен баланс теплоты, температуры шлифования (средняя, контактная и мгно­ венная), а также изменение температуры в близлежащих поверхностных слоях детали.

Например, для определения количества теплоты, ухо­ дящей в круг и деталь, получены формулы:

Расчеты по формулам (99)—(100) показали, что в за­ висимости от условий шлифования в деталь уходит 60 — 85% общего количества выделившейся теплоты, в струж­ ку — 0,5—30% и в абразивный круг — 10—13%. В этих формулах не учитываются относительная скорость дви­ жения круга по детали и влияние охлаждения.

Расчет показал, что при абразивном шлифовании средняя температура детали изменяется в пределах 20— 350° С, контактная — в пределах 200—1100° С и мгно­ венная — от 1000° С до температуры плавления обра­ батываемого металла.

Решение для определения температурного поля в пла­ стинках при шлифовании по схеме мгновенного плоского источника на поверхности полубесконечного тела исполь­ зовано для регулирования остаточных напряжений в де­ талях [114].

С. Г. Редько [121] предложил метод определения температуры шлифования, базирующийся на работе еди­ ничных абразивных зерен круга и последовательном на­ ложении элементарных тепловых импульсов от зерен, причем нагрев шлифуемой поверхности применяется как результат такого многократного наложения.

во внимание форма, пространственное положение, ско­ рость движения абразивного зерна и интервалы между действием источников теплоты. Например, максимальная температура в зоне контакта круга с деталью при суммар-

123

ном действии тепловых импульсов от всех зерен, дец ствующих в зоне контакта,

120скр2ф(7( V 60ah

происходит охлаждение, а в более глубоких слоях, на­ оборот — нагрев. Сравнительно длительное время удер­ живается температура около 100° С. Рассматриваемый ме­ тод учитывает не все условия шлифования (вид связок и др.) и недостаточно согласован с опытными данными.

Тепловое поле при многопроходном шлифовании твер­ дых сплавов торцом круга установлено в работе [1131. Такая схема шлифования имеет место, например, при заточке твердосплавных режущих инструментов, а также шлифовании других деталей торцом круга. Полученные формулы приближенно описывают тепловые явления при многопроходном шлифовании. При шлифовании деталей из твердого сплава ВК8 алмазным кругом на органиче­ ской связке количество теплоты, уходящей в деталь, в 2,5—3,0 раза меньше, чем. при шлифовании абразивным кругом.

124

Заслуживает внимания метод исследования темпера­ туры при шлифовании, основанный на естественных граничных условиях, характеризующих распределение теплоты на поверхности детали 1169]. Круг и деталь рассматриваются как система тел, которая в процессе работы имеет участки одинаковой температуры. Общее количество теплоты, выделяющейся в зоне контакта, определяется по опытным зависимостям силы шлифова­ ния от режима обработки. Предложенная формула для расчета контактной температуры учитывает форму де­

и боковые поверхности полубесконечного стержня (детали) отдают теплоту, а деталь нагревается тепловым потоком определенной интенсивности, действующем в течение времени т [41 ]. Температура распределяется по длине стержня в различные моменты времени при условии, что с торца и боковой поверхности стержня происходит теплоотдача в среду с постоянной температурой Ѳ0 (по закону Ньютона).

где q — интенсивность теплового потока; X — коэффи­ циент теплопроводности обрабатываемого материала; а — коэффициент теплопроводности материала.

Калориметрированием процесса алмазного шлифова­ ния определена доля теплоты, уходящей в деталь. При обработке деталей из твердых сплавов Т15К6 и ВК8 алмазным кругом АСО 80/63Б1 — 100% количество теп­ лоты Q1; отводимой в деталь, составляет примерно 30% общего количества теплоты, возникающей при шлифо­ вании.

А. Н. Резников [124] рассчитал температуру на ре­ жущем зерне абразивного и шлифовального круга, а также на поверхности шлифуемой детали. При расчете темпе­ ратуры на режущем зерне оно принималось в виде ци­ линдра диаметром d и высотой к. Один из торцов ци­ линдра — зерна считался соприкасающимся с деталью и скользящим по нему. Температура зерна рассматри­ валась как результат подвода теплоты со стороны торца

125

и отвода части этой теплоты через поверхность сопри­ косновения зерна с остальной массой круга.

В результате исследования, для расчета температуры на контактной поверхности зерна получена следующая формула:

где А и А х — коэффициенты, зависящие от условий обработки (теплопроводности круга и др.); и К2 — коэффициенты теплопроводности материала детали и зерна в кал/(см-с-°С); Fo — критерий Фурье; б — коэффициент неравномерности; а>! — коэффициент температуропровод­ ности в см2/с; Яр — количество режущих зерен на 1 мм2 поверхности круга.

Критерий Фурье

Р о = ■_(- i L__

100i)Kpd 2

По формуле (104) рассчитана температура, возника­ ющая на зернах при шлифовании деталей из твердого сплава Т15К6 торцом чашечного круга АС160/125 на

поверхности L = 12 мм и ширине алмазного слоя на торце круга 3 = 8 мм [124]. Для указанных условий температура зерна оказалась равной примерно 420° С. Установлена также формула для определения темпера­ туры на поверхности шлифуемой детали.

Из краткого обзора теоретических исследований тепло­ вых явлений при шлифовании следует, что при выводе уравнений как форма тел, так и принимаемые законо­ мерности воздействия тепловых источников в процессе обработки схематизируются. Такая схематизация, вызы­ ваемая сложностью процесса и отсутствием точной инфор­ мации о механизме процесса и теплофизических контактах шлифующих материалов, вносит определенные неточности в полученные результаты.

126

Независимо от этого теоретические исследования обос­ новали целый ряд экспериментальных положений тепло­ физики шлифования — высокие мгновенные температуры в зоне обработки, распределение теплоты в процессе обработки и др. Задача заключается в создании объектив­ ной схемы теплообразования при шлифовании, учиты­ вающей также связку, как самостоятельный параметр теплообразования в результате ее трения о деталь. Теоре­ тические исследования тепловых явлений успешно кон­ тролируются и дополняются экспериментальной про­ веркой.

Методы измерения температуры шлифования

Температуру шлифуемой детали измеряют при помощи термопар по структурным изменениям в поверхностном слое шлифуемой детали и дистанционных датчиков (фото­ резисторов). Наиболее широко применяется измерение

Рис. 70. Термопары:

температур при помощи искусственных и полуискусственных термопар (рис. 70).

Искусственную термопару часто изготовляют из хро- мель-копелевых проволочек диаметром 0,1 мм и под­ ключают к осциллографу (с усилием или без усиления). Между проволочками термопары укладывают электроизо­ ляционные прокладки (листочки слюды) толщиной 0,1— 0,2 мм. Диаметр головки термопара 0,2—0,3 мм. Концы термопары подключают к шлейфу осциллографа (Н-700

127

и Др.). Полуискусственная температура образует спай

вмомент резания зерном.

Внашем исследовании контактная температура при

наружном круглом шлифовании измерялась при помощи специального приспособления, в который вмонтирована термопара медь—константан (рис. 71). Оправка 3 при­ способления установлена на центрах шлифовального станка. На оправке 3 имеются кольца 1 и 2, между кото­ рыми зажата термопара 10, электрически изолированная от металла. Кольцо 1 неподвижно закреплено на оправке,

Рис. 71. Приспособление для измерения температуры в зоне контакта при шлифовании с помощью искусственной термопары

а кольцо 2 — съемное. Кольца сжаты гайкой 4. Разви­ вающийся при шлифовании термопоток направляется к токоприемным кольцам 6, которые изолированы тексто­ литовыми втулками 5 и 7 и сжаты гайкой 8. Ток с токо­

тельность термопары; поэтому температуру измеряли прецизионным гальванометром.^ В отдельных случаях температуру в зоне контакта измеряют термопарой, за­ крепленной внутри шлифовального круга (рис. 72). Такое расположение термопары, благоприятное для сохранения непрерывности теплового потока, поступающего от де­ тали, создает более сложную токосъемную систему по сравнению с монтажом термопары в детали.

Полуискусственную термопару можно приблизить к зоне резания зерном, что обеспечивает получение тем­ ператур, более близких к истинным. Такая термопара применима только для токопроводящих материалов. Для полуискусственной термопары с применением термоэлек­ трода из алюмеля диаметром (1,5-е-3,0) • 10~5 м показатель термической инерции'термопары е = (1,5-е-6,0) • I“6 с.

128

При применении такой термопары можно измерить температуры, возникающие в зоне резания отдельными шлифующими зернами. Регистрирующий прибор должен обеспечивать точную запись температурного сигнала. Для примера на рис. 73 приведена схема тепловых им­ пульсов, регистрируемых полуискусственной термопарой. Точка наибольшего подъема соответствует импульсным

Рис. 72. Схема измерения температуры в зоне контакта при шлифова­ нии:

температурам Ѳи, близким к максимальным мгновенным. Эти температуры возникают в зоне контакта шлифующих зерен с деталью. Огибающая кривая к основаниям от­ дельных импульсов определяет контактную темпера­ туру Ѳк. При выходе из контакта с кругом рассматриваемый участок детали остывает, сохраняя до новой встречи с кругом некоторую установившуюся температуру Ѳу. Измерить температуру по структурным изменениям в по­ верхностном слое детали можно для материалов, находя­

карбидов титана, а также тончайшего поверхностного слоя неодинаков при различных условиях шлифования, опре­ деляющих тот или иной уровень температуры резания.

При нагреве снижается твердость карбидов и повышается степень их пластической деформации. Для ряда материа­ лов зависимость некоторых характеристик от темпера­ туры известна; известно и связанное с этим изменение характера деформаций. Деформированные поверхностные зерна твердых сплавов после шлифования можно наблю­ дать с помощью электронного микроскопа и по характеру деформирования можно судить о величине контактной

температуры. Недостатком рассматриваемого метода яв­ ляется практическая невозможность изучения тепловых явлений во времени.

Измерение температур шлифования с помощью дистан­ ционных установок применено недавно [41 ]. Практиче­ ское применение получило измерение температур бескон­ тактным методом с использованием фоторезисторов (рис. 74). В этом случае инфракрасные лучи, поступающие из зоны шлифования через отверстие 2 в шлифовальном круге 5, попадают на фоторезистор 4, закрепленный в волноводе 3, Сигнал от фоторезистора, преобразующего тепловую энер­ гию в электрическую, через усилитель 6 поступает на вход осциллографа 7. Изменение амплитуды импульса тока фоторезистора можно наблюдать визуально на экране осциллографа или зафиксировать на фотопленке.

Длительность теплового импульса

т

siUn^p

130