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

Результаты испытаний отдельных зерен белого элек­ трокорунда ЭБ9 на износ без охлаждения и при охлажде­ нии содовым раствором и осерненным маслом приведены на рис. 85; обрабатывали детали из сталей 45 (в закален­ ном и нормализованном состояниях), Х20Н70Т и Х18Н9Т. Охлаждение содовым раствором при обработке деталей из стали 45 уменьшает износостойкость зерен (износ возра-

1

Рис. 85. Износ зерен электрокорунда (ЭБ9) при обработке различных металлов без охлаждения и при различных смазочно-охлаждающих жидкостях;

»кр = 21,8 м/мин; snjI = 0,052 мм/об; Р = 1,96 Н; т = 10 мин; I — без ох­

лаждения; 2 — охлаждение 1%-ным содовым раствором и 0,5% мыла; 3 — охлаждение осерненной смесью машинного и льняного масел

стает) по сравнению с износостойкостью зерен без охла­ ждения. В данном случае, возможно, сказывается обра­ зование слабого гидрата окиси алюминия в результате химической реакции окиси алюминия и воды смазочно­ охлаждающей жидкости.

Охлаждение содовым раствором при обработке деталей из сталей Х18Н9Т и Х20Н70Т несколько увеличивает износостойкость зерен ЭБ9 по сравнению с износостой­ костью их без охлаждения, так как сказывается слабая окисляемость этих сталей.

Увеличение износостойкости зерен ЭВ9 достигается при охлаждении их осерненной смесью машинного и льня­ ного масел, в большей степени при обработке деталей из стали Х18Н9Т и в меньшей степени при обработке дета­

151

лей из сталей Х20Н70Т и 45. Положительный эффект от присадки серы к смазочно-охлаждающей жидкости здесь такой же, по-видимому, как и от присадки серы к смазке, используемой при высоких давлениях. Сера значительно уменьшает коэффициент трения между трущимися сталь­ ными поверхностями. Таким образом, среда по-разному влияет на износостойкость зерен при различных сочета­ ниях абразивного материала и обрабатываемого металла.

Свойства обрабатываемого металла в процессе шлифо­ вания могут изменяться не только с помощью среды, обус­ ловленной составом смазочно-охлаждающей жидкости, но и среды, определяющейся составом связующего вещества шлифовального круга. Например, применение теллура в качестве наполнителя шлифовальных кругов вместо криолита значительно улучшает шлифуемость нержавею­ щей стали.

Путем различных присадок к смазочно-охлаждающей жидкости и к связующему веществу можно изменить фи­ зико-механические свойства поверхностного слоя трудношлифуемых сплавов, приблизив их к физико-механиче­ ским свойствам легкошлифуемых железоуглеродистых сплавов. Так, при шлифовании титана применение сма­ зочно-охлаждающей жидкости специального состава уве­ личивает удельную производительность шлифования, по сравнению со шлифованием водным раствором, в 3—4 раза.

Адсорбционное понижение прочности и облегчение де­ формации металла в процессах шлифования за счет среды еще слабо изучены. Химические реакции, сопутствующие процессу шлифования, столь ощутимы, что не учитывать их при износе абразивных материалов нельзя. А потому нельзя допускать, что износ абразивных зерен шлифоваль­ ного круга происходит только за счет диффузии. Нельзя также отождествлять коэффициент диффузии углерода в расплавах железа с коэффициентом диффузии углерода абразивных материалов при шлифовании железоуглёродистых сплавов.

Спектры абразивных материалов были получены при применении верхнего и нижнего электродов из электро­ литической меди МО при следующем режиме: генератор АГ-2, сила тока дуги 3 А, межэлектродный промежуток 2,5 мм, ширина щели 10 мкм, экспозиция для ЭБ — 30 с, для Э — 20 с. Для того чтобы увеличить количество испа­ ряющегося исследуемого элемента в исследуемых шлифо­ ванных образцах, последние перемещали во время воз-

152

буждения спектра при неподвижном стержне противо­ электрода в активизированной дуге переменного тока. Скорость равномерного прямолинейного движения иссле­ дуемого образца 1,7 мм/с. При таком методе возбуждения спектра шлифованной поверхности увеличение экспозиции прямо пропорционально количеству возбуждаемого диф­ фузионного абразивного материала.

Спектры абразивных материалов изучались по ли­ ниям: Al — 3082Â и Al — 3092Â и линиями Al — 3944Â

и А1 — 3961Â. Спектрограммы были выполнены с четырех­ кратной повторностью на образцах из железа Армко и нормализованной стали 45. Во всех случаях в спектрах поверхностного слоя шлифованных образцов совершенно отчетливо были обнаружены линии алюминия.

Вданном случае, при отсутствии химического сродства электрокорунда с железоуглеродистыми сплавами, по­ верхностные слои шлифуемых образцов содержат алюми­ ний или его соединения. Причину этого следует искать как в своеобразном процессе алитирования поверхност­ ного слоя, так и в его засорении осколками абразивных зерен.

Вспектрах образцов, шлифованных при различных глубинах резания, наблюдается различие интенсивности

почернения линий А1. При этом усиливающийся эффект взаимодействия абразивного и шлифуемого материалов наблюдается при меньшей глубине резания.

Результаты измерений почернения линий А1 на спектро­ граммах шлифованных образцов из нормализованной стали 45 приведены на рис. 86. Измерения были выпол­ нены на микрофотометре для линий А1 — 3092Â.H линий А1 — 3961Â. Фотографический метод спектрального ко­ личественного анализа основан на зависимости спектраль­ ных линий изучаемого элемента от его концентрации в об­ разце.

Полученные результаты измерений дают сравнитель­ ную количественную оценку внедрения изучаемого ме­ талла в поверхностный слой шлифованных образцов в за­ висимости от глубины резания. Они позволяют также сделать вывод о возможности применения спектрального

•анализа для качественной и количественной оценок про­ цессов взаимодействия абразивного материала с шлифуе­ мым поверхностным слоем металла. Необходимо знать взаи­ модействие алмазного зерна в круге с обрабатываемым металлом в процессе шлифования. При такой обработке

153

алмаз может разрушаться вследствие механического исти­ рания, окисления, графитизации (при t ^ 1700° С), рас­ творения в обрабатываемом металле и адгезии.

Растворение алмаза в армко-железе (в вакууме) начи­ нается при температуре 700° С, причем уменьшение массы алмаза возрастает экспоненциально с повышением тем­ пературы и параболически — с увеличением времени кон-

т-ІО'Іг/мм2

такта (рис. 87). Такое уменьшение определяется скоростью диффузии углерода алмаза в железо в соответствии с коэф­ фициентами диффузии углерода в металлах [29].

Установлено также резкое увеличение растворимости алмаза в жидком железе при температуре 1550° С. По данным рентгеноструктурного анализа при указанной тем­ пературе растворения алмаза в вольфраме, молибдене и ниобии не наблюдается, так как коэффициенты диффузии углерода в эти металлы примерно на пять порядков ниже по сравнению с железом.

Исследования взаимодействия алмаза с жидкими ме­ таллами показали, что адгезия алмаза с некарбидообра-

154

зующими металлами (медью, серебром, оловом, золотом, германием и др.) мала, составляя примерно 7—10 И-м/м2 и не может быть причиной разрушения кристаллов алмаза.

Адгезия алмаза с карбидообразующими металлами (железом, кобальтом, никелем, титаном, хромом, цирко­ нием, ванадием, марганцем и др.) значительно выше (при­ мерно 100—250 Н-м/м2) и может вызвать значительное разрушение зерна.

Мерой склонности алмаза к адгезионному разрушению может служить коэффициент адгезии

где а — поверхностная энергия алмаза на границе с ме­ таллом в Н-м/м2; о' — внутренняя энергия кристалла алмаза в тех же единицах. При ф <С 1,0 — адгезионного износа практически не наблюдается: при ф Г> 1,0 — алмаз разрушается вследствие адгезии. По мере возрастания ф степень адгезионного разрушения возрастает.

При обработке различных материалов можно отметить следующие основные положения относительно характера разрушения кристаллов алмаза.

1. Механический (абразивный) износ (усталостный и хрупкого разрушения) преобладает главным образом при обработке некарбидообразующих металлов и их сплавов (меди, серебра, олова, золота, свинца, цинка, германия и др.), если контактная температура ниже 650° С, а также при обработке карбидов металлов, если контактные тем­ пературы процесса ниже 650° С.

2.При обработке указанных металлов с повышением контактных температур в результате увеличения скорости резания или других факторов возможно разрушение алмаз­ ного зерна вследствие его окисления кислородом воздуха, попадающим в зону резания.

3.При режимах шлифования, создающих достаточно

высокую удельную силу в зоне обработки (не превышаю­ щую однако б • ІО3 МН/м2), разрушение зерна алмаза может быть вызвано его графитизацией вследствие высоких кон­ тактных температур; это относится главным образом к об­ работке твердых сплавов, температура плавления которых выше 1600° С.

4. Преобладание адгезионного износа характерно для карбидообразующих металлов, хорошо смачивающих ал­

155

маз, т. е. растекающихся по поверхности кристалла с крае­ выми углами смачивания, близкими к нулю, с малыми коэффициентами диффузии углерода в эти металлы и ма­ лыми энергиями ее активации; этим требованиям удовле­ творяет ряд металлов: вольфрам, титан, молибден и др.

5. Преобладание диффузионного износа характерно для металлов, коэффициент диффузии углерода в которых вы­ сок, а склонность к адгезионному разрушению невелика (ф < 1,0); в этом отношении наиболее типичным металлом является железо; то же самое относится и к сталям, так как диффузионные константы и адгезионные характери­ стики мало отличаются от таковых для железа в контакте с алмазом. Однако в реальных железоуглеродистых спла­ вах процесс износа протекает значительно сложнее.

6. Смешанный характер износа наблюдается для кар-. бидообразующих металлов, обладающих средними коэф­ фициентами диффузии в них углерода и достаточно высо­ кой адгезией к алмазу (ванадий и др.).

Профиль рабочей поверхности круга

Рабочая поверхность шлифовального круга и ее про­ филь являются сложными и не постоянными, имеющими разновысотные зерна, расположенные на различных рас­ стояниях.

Сопоставление шероховатостей поверхности шлифо­ вального круга и обработанной детали показывает, что наиболее важна средняя часть круга. Это позволило пред­ ложить круг с трехслойным профилем, имеющим мелкое шлифующее зерно в центральной части и более крупное зерно по краям. Такой круг обеспечивает лучшее качество обработанной поверхности по сравнению с обычным кругом.

Профиль поверхности круга характеризуется крите­ риями Ra и Rz, применяемыми при оценке шероховатости обработанных поверхностей. Однако названные критерии не содержат частотных характеристик профиля, т. е. шагов между неровностями и распределения высот неров­ ностей по шагам.

Частотные характеристики профиля зависят от рас­ пределения шлифующих зерен на поверхности круга, а также от соотношения между изношенными, раздроблен­ ными и целыми зернами.

156

С этой точки зрения наиболее простым является пред­ ставление профиля поверхности в виде суммы гармоник:

П

Т{ — периоды гармонических составляющих.

Однако в действительности реальный профиль содержит не только полигармоническую часть, но и случайную со­

ставляющую. Случайность профиля заключается в том, что предсказать заранее и выразить аналитически урав­ нением профиль поверхности круга невозможно, даже зная его рабочие характеристики и условия работы.

Из существующих методов разделения полигармонических и случайных составляющих в профиле поверхности и их анализа наиболее универсальным и точным является корреляционный метод, при котором профилограмма по­ верхности рассматривается как реализация стационарной случайной функции. Стационарность случайной функции поверхности круга состоит-в том, что профиль образуется непрерывными колебаниями относительно некоторого среднего значения тх (рис. 88), причем ни средняя ампли­ туда, ни характер колебаний не обнаруживают существен­ ных изменений с изменением аргумента х. Стационарность профиля абразивного инструмента обусловлена относи­ тельной стабильностью размеров зерен и пор в определен­ ном круге.

Рассмотрение профиля поверхности в виде реализации стационарной случайной функции встречается в работах [160, 166 и др. ]. Корреляционное преобразование стацио-

157

нарной случайной функции производится на основании следующих соотношений:

ной функции; 5 (со) — спектральная плотность; со — аргу­ мент спектральной плотности.

Для приближенных расчетов формулы (108), (109), (110) представим в виде сумм:

1 е / \ х

( ш >

,ЛЦТ)

т — аргумент корреляционной функции (переменная раз­

Длину профилограммы для поверхности исследуемых кругов выбирают в пределах 8—10 мм. Интервал Ах мо­ жет приниматься равным 0,03 мм, что составляет Ѵ4Т преобладающих высокочастотных случайных неровностей.

Расчет характеристик профиля шлифовального инстру­ мента, определяемых формулами (111), (112), (113), про­ изводятся на ЭЦВМ. Из профилограммы поверхности

158

круга определяется нормированная корреляционная функ­ ция и спектральная плотность. Приведенная методика позволяет проанализировать микрогеометрию рабочей по­ верхности шлифовального круга в процессе обработки.

Анализ исследований в области износа и стойкости шлифовальных кругов

Изучению вопроса об износе и стойкости шлифоваль­ ных кругов посвящено большое число экспериментальных исследований. Отдельные исследователи в качестве кри­ терия затупления круга используют внешние и косвен­ ные признаки снижения режущих свойств круга: возник­ новение вибраций, повышение мощности, появление шума, стука или следов дробления на поверхности детали, по­ явление следов прижогов, изменение блеска поверхности и направления штрихов обработки и т. п.

Первые опыты показали, что все виды подач примерно одинаково влияют на износ и стойкость шлифовальных кругов. Например, были получены следующие зависимости между износом U, стойкостью т и режимами обработки при бесцентровом шлифовании с продольной подачей:

2) отношение расхода абразива за правку к расходу абра­ зива за период-шлифования всегда больше единицы; для круга Э40СМ1К5 это отношение примерно 0,08 : 0,02 = 4, для круга Э40СТ1К.5 несколько больше — 0,09 : 0,015 = == 6; 3) расход абразива на радиус круга при чистовом шлифовании составляет в среднем 0,05 мм для круга Э40СМ1К5 и 0,02 мм для круга Э40СТ1К5.

Для установления картины износа шлифовального круга мы наблюдали (при помощи бинокулярного микро­ скопа) за износом абразивных зерен и связки, начиная с момента правки круга до его полного затупления, чему соответствовало появление огранности или прижогов де­ тали.

159

В процессе износа рабочей поверхности круга можно наметить два периода: первый период характеризуется главным образом откалыванием (обламыванием) и даже вырыванием из связки отдельных непрочных (консольно укрупненных) абразивных зерен; второй период харак­ теризуется главным образом расщеплением и округлением абразивных зерен, а также забиванием пор круга метал-

лической стружкой и абразивной пылью, что вызывает снижение режущих свойств круга.

Первый период шлифования является кратковремен­ ным. В начале резания (при первых проходах) происходит откалывание (обламывание) консольно закрепленных абра­ зивных зерен, а также дефектных зерен — игольчатых. Процесс откалывания неудачно расположенных абразив­ ных зерен и даже вырывания их из связки создает сравни­ тельно интенсивный износ круга в первый период его ра­ боты. Второй период шлифования сопровождается ста­ билизацией процесса износа круга, когда откалывания целых зерен, как правило, не наблюдается и происходит постепенное округление первоначально сравнительно острых зерен.

Рассмотрим основной случай износа электрокорундового зерна октаэдральной формы круга зернистости 40

160