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

путем очищения зоны шлифования и круга от мельчайшей металлической стружки и других отходов шлифования (обломки абразивного материала в связки). СОЖ, ви­ димо, не попадает непосредственно в зону микрорезания шлифующим зерном и поэтому мало влияет на величину мгновенных температур в зоне работы зерна.

Независимо от охлаждения шлифование закаленной стали сопровождается интенсивными искрами из зоны резания-царапания. Охлаждающая жидкость оздоров­ ляет условия труда, осаждая пыль, образующуюся при шлифовании.

Смазочное действие СОЖ заключается в ее способности создавать достаточно устойчивые смазочные пленки на поверхностях трения шлифующих зерен и связки круга о шлифуемую поверхность, что в результате устранения контакта трущихся элементов, налипаний и задиров снижает коэффициент и силы внешнего трения. Чрезмер­ ное количество смазочных веществ при шлифовании яв­ ляется нежелательным, так как приводит'к «засаливанию» круга и нарушению правильной его работы.

Смазочные пленки, образующиеся вследствие сильного молекулярного сцепления поверхностно-активной жид­ кости с поверхностями металлов, должны обладать высо­ кой прочностью и не должны выдавливаться при больших напряжениях.

Режущее (диспергирующее) действие жидкости заклю­ чается в облегчении пластического деформирования обра­ батываемого металла вследствие проникновения активных (по отношению к металлу) веществ жидкости в деформи­ рованную зону через микрощели, развивающиеся в ее наружных слоях при резании.

Исследованиями П. А. Ребиндера и его.сотрудников [1201 доказано, что введение в СОЖ поверхностно-актив­ ных веществ в результате адсорбционного эффекта пласти­ фицирования обеспечивает повышение эффективности дис­ пергирования твердого тела и производительности обра­ ботки. Существенное значение имеет также расклинива­ ющее действие СОЖ, установленное Б. В. Дерягиным.

Применительно к процессу шлифования, когда удель­ ные нагрузки на зерна являются высокими, проникнове­ ние тончайших пленок жидкости в микротрещины и межзеренные промежутки, активно способствуют росту микро­ трещин — диспергированию обрабатываемого материала

(рис. 81).

141

Основная причина режущего действия жидкости заклю­ чается в проникновении тончайших пленок жидкости

вдеформированный металл по кристаллитным границам

ипо плоскостям скалывания внутри отдельных зерен — кристаллитов. Микротрещины являются теми мельчай­ шими каналами, по которым, «смазываются» кристаллитные границы и контактные площадки плоскостей скалы­ вания кристаллитов, способствующие «размягчению» де­ формированного металла, облегчая его дальнейшее де-

Рис. 81. Схемы действия охлаждающей жидкости в процессе шлифо­ вания:

формирование и пластическое течение. Активность жид­ кости при резании зависит от ее металлофильности, т. е. физико-химического (молекулярного) сродства жидкости и ее активных составляющих с обрабатываемым металлом.

Моющее действие СОЖ заключается в удалении (вы­ мывании) отходов шлифования (частиц шлифующих зерен, стружки и др.) из зоны обработки, с поверхностей инстру­ мента, обрабатываемой детали и станка.

По составу и свойствам СОЖ, применяемые при шли­ фовании, делятся на эмульсии и масла.

Эмульсией называется жидкость, в которой во взве­ шенном состоянии находятся микроскояические частицы (капельки) другой жидкости, например смесь воды с жи­ ром и щелочью. Связующим элементом основных компо­ нентов эмульсии обычно служат гликоли или их эфиры. Основой шлифовальной эмульсии является вода с добав­ лением небольшого количества специальных присадок —

142

ностно-активные высокомолекулярные вещества (три­ этаноламин и др.), обеспечивающие смазочный эффект. Антикоррозийными ингибиторами наиболее часто яв­ ляются нитриды и хромиды. Для защиты от микроорга­ низмов применяют вещества (фенольного типа и др. Шли­ фовальные эмульсии обладают высоким охлаждающим и небольшим смазочным эффектом и имеют молочно-белый цвет.

Простейшей эмульсией является 3%-ный содовый раствор, применяющийся при шлифовании твердых спла­ вов алмазными кругами на металлической связке и др, Наиболее качественные эмульсии приготовляют из эмульсола или пасты, для которых используют поверхностно­ активные кислоты (олеиновую, нефтеновую и др.).

При абразивно-алмазной обработке эмульсии, обла­ дающие высокой дисперсностью, стабильностью, а также хорошими моющими и смазочными свойствами, изготов­ ляются из эмульсола НГЛ-205. Названными свойствами в меньшей степени обладают эмульсии из эмѵльсолов Э1,

эмульсии из эмульсола СДМУ, содержащего не менее 0,5% мелкодисперсного дисульфида молибдена. Для абра­ зивного шлифования углеродистых сталей применяют водный раствор состава: 1,5% кальцинированной соды, 0,2—0,25% нитрита натрия, 1,0% триэтаноламина, 0,1 — 0,25% глицерина, 0,2% буры, остальное — вода. Для кругов на бакелитовой связке концентрация соды сни­ жается до 0,5—1,0%. Высокими охлаждающими и сма­ зочными свойствами обладают углеводородные СОЖ.

Шлифовальные масла состоят из минерального масла с жировыми и химически активными добавками, усили­ вающими стабильность СОЖ в условиях высоких давлений и температур. Наиболее активными добавками являются вещества, содержащие серу, например полисульфиды (при концентрации серы 0,5—5%). Подобные активированные масла применяют во всех случаях, когда смазочные свойства СОЖ имеют преимущественное значение перед охлаждающими: при резьбошлифовании труднообрабаты­ ваемых сталей и сплавов (особенно нержавеющих сталей), при шлифовании никеля, алюминия, магния и др. При шлифовании труднообрабатываемых и легированных ста­ лей (быстрорежущих, нержавеющих и др.) хороший эффект показало масло индустриальное 20 с добавле-

143

Рис. 82. Способы подвода смазочно-охлаждающей жидкости в зону обработки при шлифовании:

А-А

Рис. 83. Устройство для подвода смазочно-охлаждающей жидкости комбинированным способом:

/ — сопло; 2 — дроссель; 3 — мундштук; 4 — пористый элемент; 5 — де­ таль; 6 — прокладка; 7 — кожух; 8 — текстолитовая колодка; 9 — пороло­ новая накладка; 10 — колодка

Г л а в а V

ИЗНОС И СТОЙКОСТЬ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

Основные виды износа

Износ рабочей поверхности круга при шлифовании является сложным физико-химическим и механическим процессом, протекание которого зависит от всех условий обработки: характеристики круга, свойств обрабатывае­ мого материала, режима резания и др.

Износ круга связан с его стойкостью

В зависимости от свойств шлифовальных кругов (твер­ дости, связки и др.) и условий обработки круги могут работать с самозатачиванием и с затуплением.

Затупление круга наступает в результате обламывания невыгодно расположенных шлифующих зерен, последо­ вательного их расщепления и образования площадок из­ носа, когда зерна теряют свои режущие свойства.

Самозатачивание круга заключается в том, что по мере затупления шлифующих зерен возросшее сопротивление резания вырывает (полностью или частично) зерна из связки, которая выкрашивается; в работу вступают новые зерна, в результате чего рабочая поверхность круга не­ прерывно обновляется. Способность к самозатачиванию является отличительным свойством шлифовального круга.

В начальный период работы круга на вершинах зерен образуются площадки износа, которые непрерывно воз­ растают и обеспечивают влияние условий, действующих на зерна, чему соответствует усилие разрушения зерна

146

и связки. При достаточной прочности зерен и связки площадки износа на зернах могут достигнуть значитель­ ных размеров.

Работа трения и пластического деформирования с воз­ растанием температуры контактирующих поверхностей увеличивается. Одновременно с износом зерен круга про­ исходит изменение рельефа его рабочей поверхности.

В зависимости от условий шлифования (физико-меха­ нических свойств зерна, обрабатываемого материала и

Рис. 84. Основные виды износа шлифовального круга

связки, режима обработки и др.) различают следующие основные виды износа (рис. 84): истирание режущих эле­ ментов (вершин) шлифующих зерен с образованием на них площадок с большей или меньшей шероховатостью (рис. 84, а)\ микроразрушение (расщепление) зерен с от­ делением от них небольших частиц (рис. 84, б)\ разруше­ ние зерен с отделением от них крупных частиц, соизмери­ мых с размером зерна (рис. 84, в); полное вырывание зерен (рис. 84, г) из связки [1861; разрушение в результате про­ текания химических реакций в зоне кңнтакта зерна с обра­ батываемым материалом (рис. 84, д) при высоких темпера­ турах, развивающихся в зоне шлифования (износ диффу­ зионный, адгезионный и др.); забивание промежутков между зернами (пор) стружкой и продуктами износа (рис. 84, е). Одновременно с износом зерен происходит износ (истирание) связки в поверхностных слоях круга.

147

В соответствии с условиями шлифования отдельные виды износа могут происходить одновременно или опре­ деленный вид износа будет преобладающим. Преоблада­ ние первого и второго видов износа типично для работы инструмента в режиме затупления или ограниченного само­ затачивания. Самозатачивание может происходить как в объеме зерна (при откалывании частиц кристаллов), так и в объеме круга, когда происходит отрыв как целого зерна, так и его части.

Момент удаления зерна с рабочей поверхности круга определяется степенью износа зерна, динамикой процесса и прочностными свойствами связки. В ряде случаев в из­ носе шлифующих зерен превалирующим является хруп­ кий износ, что связано с природой зерна. Хрупкому из­ носу часто подвергаются алмазные зерна АСО. Наличие в структуре обрабатываемого материала карбидов при­ водит к более сильному воздействию материала на шли­ фующие зерна и обеспечивает их износ, относящийся к группе абразивного. Карбиды, являясь своеобразными микрорезцами, наносят тонкие микроцарапины на раз­ мягченный слой поверхности шлифующих зерен и тем самым способствуют поддержанию зерен в работоспособ­ ном состоянии за счет более развитой режущей поверх­ ности. Такой износ характерен для шлифования сталей типа ШХ15 и РФ1.

При высоких температурах шлифования, снижающих твердость материала шлифующих зерен, процесс износа зерен является интенсивным. Процесс адгезионного износа характеризуется кратерами, образующимися на поверх­ ности зерна, свидетельствующих об отрыве или срезе его отдельных частиц. Возможен также перенос частиц обра­ батываемого материала на поверхности шлифующих зерен в виде наростов, характерных для шлифования сплавов с аустенитной структурой. В этом случае процесс резания резко ухудшается, так как адгезия переходит в когезию — трение однородных материалов.

Интенсивность износа шлифующих зерен резко воз­ растает при наличии химического сродства между зерном и обрабатываемым материалом. Для железоуглеродистых

. сплавов предпосылками к диффузионному износу являются высокие температуры в зоне шлифования, легкость рас­ творения углерода в железе, перепад концентрации угле­ рода между шлифующим зерном и обрабатываемым метал­ лом и контакт их ювенильных поверхностей.

148

Признаком диффузионного износа является гладкая поверхность изношенной части зерна в связи с равномер­ ным диффузионным растворением по всей площади сопри­ косновения и копированием микропрофиля поверхности резания. Такой же вид имеет площадка износа абразив­ ного зерна при истирании независимо от степени хими­ ческого сродства с обрабатываемым материалом. Диффу­ зионный износ характерен для алмазной обработки желе­ зосодержащих сплавов (сталей). Износ кругов существенно влияет на точность и качество поверхностного слоя шли­ фуемых деталей.

Износ зерен абразивного инструмента — сложные физико-химический и механический процессы

Износ зерец абразивного инструмента в процессе шли­ фования должен рассматриваться как сложный физико­ химический и механический процессы, периодически ме­ няющихся и параллельно протекающих явлений хрупкого скалывания, пластического деформирования, нагрева, окисления зерен и химического взаимодействия их с по­ верхностным слоем обрабатываемого материала, также изменяющегося в процессе шлифования. В этом сложном процессе важнейшее значение имеет природа шлифую­ щего материала, физико-механические свойства обрабаты­ ваемого материала и среда, в которой происходит шлифо­

вание.

Рассмотрим процесс шлифования прежде всего как процесс механического взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла как процесс массового микро­ резания металла абразивными зернами. В этом случае физико-механические свойства абразивных материалов в основном определяют их износ, а следовательно, и стой­ кость шлифовальных кругов. Заметные площадки износа получаются только на зернах абразивных материалов ЭБ, ЭХ, монокорунда и природного алмаза, обладающих от­ носительно малой хрупкостью и высокой износостойкостью в процессе контакта с обрабатываемым металлом.

Износ зерен других абразивных материалов, обладаю­ щих значительной хрупкостью в процессе контакта с обра­ батываемым материалом, протекает, как правило, с вы­ крашиванием весьма малых частиц. К зернам, имеющим

149

такой характер износа, относятся зерна абразивных мате­ риалов КЗ, КЧ и, по-видимому, «ерна синтетического алмаза зернистости более 160/125. У зерен абразивных материалов, имеющих агрегатное строение, механические включения и другие дефекты кристаллического строения, износ в процессе контакта с обрабатываемым металлом протекает с выкрашиванием частиц значительных разме­ ров. Такой характер износа наблюдается преимущественно у зерен абразивных материалов ЭЗ, Э5 и у агрегатных и дефектных зерен ЭБ.

Зерна изнашиваются сильнее не при контакте абра­ зивного материала и обрабатываемого металла, а при кон­ такте их химических соединений. Химизм процесса в зоне микрорезания зерном круга будет существенно зависеть от природы химических элементов, составляющих обра­ батываемый металл, абразивные зерна и связку.

На поверхности металла чрезвычайно быстро обра­ зуются тончайшие пленки окислов (15—10 Â), которые прекращают дальнейшее окисление металла. По данным И. В. Гребенщикова, для образования пленки окислов на поверхности металла в совершенно сухом воздухе тре­ буется весьма незначительный промежуток времени: для железа — 0,05 с, для меди — 0,11 с, для свинца — 0,47 с и т. д. [89]. Образовавшись, пленки окислов дальше фак­ тически не увеличиваются. Абразивные зерна, непре­ рывно отрывая пленку окислов, покрывающую металл, обнажают «свежий» металл для действия на него кисло­ рода или других химических реагентов.

В процессе шлифования при высоких температурах смазочно-охлаждающая жидкость вступает в реакцию с окисью алюминия и образует гидрат окиси алюминия. Это вещество является пластичным, низкоплавким, более интенсивно изнашивающимся по сравнению с исходной окисью алюминия. Карбид бора, будучи более твердым абразивным материалом, чем окись алюминия и карбид кремния, оказался, тем не менее, малопроизводительным режущим материалом вследствие того, что он под действием теплоты процесса шлифования частично окисляется и те­ ряет свои режущие свойства.

Приведенные примеры подтверждают, что при шлифо­ вании протекают химические реакции как в абразивных материалах, так и в поверхностных слоях обрабатывае­ мого металла. Среда, в которой происходит шлифование, может ускорить или замедлить эти реакции.

150