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

—0,4—0,5 мкм и меньше; 4) высокий класс чистоты обра­ ботанной поверхности — 7—8-й, а при соблюдении опре­ деленных условий — 9—10-й и выше; 5) высокое качество поверхностного слоя и минимальное напряженное со­ стояние материала обработанной детали; 6) возможность обработки высокотвердых материалов (закаленных сталей, твердых сплавов, минералокерамических композиций и т. д.) в результате предельно высокой твердости и термо­ устойчивости шлифующих зерен инструмента. Высокое качество деталей, обработанных шлифованием, является результатом снятия с детали огромного числа тончайших стружек и малыми силами, развивающимися в процессе обработки.

Между отдельными процессами резания металлов прин­ ципиальной разницы не имеется, так как процесс стружкообразования на режущих элементах различных инстру­ ментов протекает по одинаковой схеме независимо от конструктивного оформления инструмента. Во всех случаях резание является последовательным сдвигом (или скалыванием) отдельных элементов — стружек с по­ мощью клина, к которому приложена определенная сила резания. Сказанное в известной мере относится и к про­ цессу шлифования металлов.

Однако процесс шлифования имеет следующие особен­ ности, существенно отличающие его от процесса резания металлическим инструментом: 1) беспорядочное распо­ ложение огромного количества мельчайших зерен на ра­ бочей поверхности шлифовального круга; 2) прерывистая режущая кромка у шлифовального круга; 3) разновысот­ ность шлифующих зерен у круга; 4) определенная зави­ симость между толщиной и шириной среза, снимаемого шлифующими зернами; 5) разнообразная (неправильная) геометрическая форма шлифующих зерен и наличие у них округленных (сферических) вершин \ обеспечивающих, как правило, отрицательные передние углы резания (цара­ пания) отдельными зернами; 6) особые свойства режущих элементов — шлифующих зерен — высокая твердость, термоустойчивость, острота, хрупкость, способность раз­ рушаться по плоскостям спайности и др.; 7) высокие

1 После непродолжительной работы круга вершины зерен приобре­ тают более сложную форму, лишь приближающуюся к округленной (сферической), и в большинстве случаев на них появляются площадки износа.

Го

окружные скорости микрорезания и малые глубины реза­ ния (царапания) каждым шлифующим зерном, обеспечи­ вающие мгновенное снятие огромного количества стружек в единицу времени и интенсивное скольжение зерен о материал в момент, предшествующий их врезанию и на­ чалу микрорезания; 8) динамическое воздействие каждого шлифующего зерна на обрабатываемый поверхностный слой, способствующее повышению мгновенной температуры микрорезания. В связи с этим при снятии отдельных стру­ жек зернами круга большое значение приобретают тепло­ вые явления и силы трения.

Процесс шлифования имеет много общего с процессом изнашивания при трении, но в отличие от него обладает следующими особенностями: 1) рабочая поверхность круга значительно грубее по сравнению с поверхностью истирающего тела; 2) шлифующие зерна (особенно алмаз­ ные) имеют высокую твердость, термоустойчивость и из­ носостойкость при сравнительно большой хрупкости, причем в процессе шлифования эти зерна выдерживают огромные удельные нагрузки; 3) шлифование обеспечи­ вает высокую интенсивность съема металла в единицу времени, причем мелкие стружки, образующиеся при шлифовании, имеют значительно большие размеры по сравнению с продуктами износа трением; 4) при нормаль­ ной работе круга снимаемые стружки, как правило, уда­ ляются из зоны шлифования.

В процессе шлифования зерна работают по деформиро­ ванному металлу и высокая острота зерен обеспечивает благоприятные условия снятия тончайших стружек.

Шлифование можно рассматривать как процесс мас­ сового весьма тонкого сверхскоростного микрорезания, если учесть высокие скорости резания (царапания) и весьма малые толщины стружек, снимаемых отдельными зернами шлифовального круга. При шлифовании пластич­ ных материалов (металлов) происходит сложное (объем­ ное) пластическое деформирование -его поверхностного слоя и при обработке хрупких материалов (керамики) — главным образом хрупкое скалывание.

Стружка снимается отдельным зерном за ІО '4—ІО '5 с, т. е. практически мгновенно.

В общем случае время снятия стружки

11

в результате массового действия шлифующих зерен на поверхностный слой в зоне контакта круга с обрабатывае­ мым материалом развиваются значительные температуры, во многом определяющие протекание процесса и качество поверхностного слоя обработанной детали. В зоне дей­ ствия отдельных шлифующих зерен могут развиваться высокие мгновенные температуры, в ряде случаев при­ ближающиеся к температуре плавления обрабатываемого материала.

Источником теплоты, возникающей при шлифовании, является главным образом работа деформирования обра­ батываемого материала и работа внешнего трения шли­ фующих зерен и связки о поверхность материала. Силы трения особенно возрастают при работе затупившимся кругом.

Значительная часть механической работы шлифования тратится на трение, и отношение полезной работы шлифо­ вания ко всей затраченной работе является сравнительно низким. Около 80% всей механической работы шлифова­ ния переходит в теплоту, а остальная ее часть превра­ щается в потенциальную энергию деформации кристалли­ ческой решетки.

При шлифовании металлических деталей абразивными кругами в зоне действия зерен резко повышается пластич­ ность металла, благоприятно сказывающаяся на процессе снятия стружки округленными зернами круга. Поверх­ ностный слой шлифованной поверхности ограничивается системой микронеровностей с неравномерным шагом и

ветственно обрабатываемый материал, шлифующие зерна шлифовального круга, связку, твердость и структуру

12

круга, смазочно-охлаждающие жидкости, точность и же­ сткость шлифовального станка, качество правки шлифо­ вального круга.

Установить зависимость параметра А от каждого фак­ тора экспериментальным методом сложно вследствие пере­ менности характеристики шлифовального .круга.

Шлифующие зерна являются многогранниками непра­ вильной формы и имеюД округленные вершины. По абсо­ лютной величине эта округленность невелика, но ее всегда

ботавшего (острого) зерна из электрокорунда зернисто­ сти 80, наблюдаемого при увеличении 500. Данное зерно имеет радиус округления одной из вершин р = 8 мкм. Только зерна, имеющее округленные вершины, обладают необходимой динамической прочностью.

У всякого шлифующего зерна А следует различать (рис. 5): 1) переднюю поверхность ЕСВ, по которой сходит стружка при микрорезании; 2) заднюю поверхность ВСХЕ Ъ обращенную к обработанной поверхности.

Поверхность реального кристалла всегда имеет шерохо­ ватость, вызываемую его внутренним несовершенством или

1 В последние годы учитывается округленность режуще|й кромки также всякого металлического инструмента (резца, фрезы, развертки и др.), особенно работающего в зоне тончайших и тонких стружек.

13

условиями его возникновения. Наиболее значительна шероховатость у синтетических алмазов обычной проч­ ности (АСО). В процессе микрорезания в связи с дисло­ кационным механизмом указанные несовершенства воз­ растают. Микровыступы М и субмикровыступы N зерен имеют значение самостоятельных царапающих элементов, снимающих стружки толщиной в 10 и 100 раз меньшие по сравнению с основным царапающим элементом. Из-за

N — субмикровыступ; KL — линия среза

наличия округленного режущего элемента в зоне тонких стружек создаются тем более тупые углы резания, чем меньше толщина снимаемого слоя, т. е. чем ближе данный слой деформируемого материала (металла) расположен

крежущему элементу инструмента (к линии среза).

Врезультате округления режущего элемента факти­ ческий передний угол в некоторой точке х

Фактический угол резания в точке х

где ах — толщина снимаемого слоя в точке х\ р — радиус округления режущего элемента (зерна или режущей кромки металлического инструмента).

При тупом угле резания необходимо приложить до­ полнительную силу, сжимающую деформируемый мате-

14

риал и вызывающую: 1) повышение сопротивления сдвигу деформируемого слоя за счет увеличения силы трения в плоскости скалывания в момент сдвига отделяемого элемента материала; 2) увеличение силы внешнего трения между инструментом и обрабатываемым материалом.

При резании слои материала, отстоящие от режущей кромки на разных расстояниях, деформируются при раз­

непосредственно на линии среза, угбл резания достигает такой величины, при которой резание является невозмож­ ным, и поэтому происходит смятие материала.

Однако с увеличением толщины снимаемого слоя, т. е. по мере удаления;от линии среза, фактический угол реза­ ния уменьшается, причем при ах = р 8Х = 90° и при

ах > р б, < 9 0 °.

В срезаемом слое развиваются значительные сжимаю­ щие напряжения, переходящие вблизи режущего элемента в растягивающие, если толщина снимаемого слоя значи­ тельна и угол резания невелик. Если радиус округления

предшествует значительное скольжение между режущим инструментом и обрабатываемым материалом.

Увеличению толщины снимаемого слоя соответствует возрастание общей работы деформирования, производимой при остром угле резания, однако работа деформирования, производимая при тупом угле резания (из-за наличия у инструмента округленного режущего элемента), прак­ тически остается без изменений. В связи с этим увеличе­ нию толщины снимаемого слоя соответствует снижение (в процентах) дополнительного деформирования мате­ риала вследствие тупого угла резания, вызываемого наличием у инструмента округленного режущего элемента.

Сказанным объясняется тот факт, что при значитель­ ных толщинах снимаемых слоев условное напряжение резания мало зависит от толщины снимаемого слоя. Ши­ рина снимаемого слоя не влияет на величину фактического угла резания и определяет собой длину слоя материала, подвергающегося деформированию; поэтому условное на­ пряжение резания практически не зависит от ширины снимаемого слоя.

Особенности шлифовального инструмента — беспоря­ дочное расположение зерен на его рабочей поверхности.

15

На рабочей поверхности любого шлифовального инстру­ мента (круга, бруска и др.) зерна А, В, С, D и другие расположены беспорядочно в виде мельчайших «остров­ ков», окруженных связкой (рис. 6). Такое расположение зерен создает прерывистую режущую кромку и обеспечи­ вает большую или меньшую разновысотность зерен.

Рассмотрим работу шлифовального круга. У шлифо­ вального круга вершины зерен всегда имеют различное

Рис. 6. Схемы расположения шлифующих зерен на рабочей по­ верхности шлифовального круга:

а •“ беспорядочное (і, Ф Іг Ф Іг Ф- • • Ф /„); б — разновысотное (Д , Ф

Ф Ri Ф Ra Ф ' ” Ф Rn)

радиальное расположение относительно некоторого иде­ ального диска (R i^ R z ф R 3 ф /?4 и т. д.), что обеспечи­ вает различную нагрузку на отдельные шлифующие зерна в процессе шлифования. Возможен случай, когда стружку снимают одновременно несколько режущих элементов данного шлифующего зерна.

Разновысотность зерен, наличие у круга неточностей геометрической формы (бочкообразности, конусности и др.), а также некоторого его биения не позволяют обес­ печить равномерной нагрузки всех зерен круга. Наиболее нагруженными являются выступающие зерна (режущие и давящие), а многие невыступающие зерна определенное время не работают (рис. 7). Лишь естественный износ вы­ ступающих зерен или новая правка круга вводит в работу эти зерна.

16

В связи с беспорядочным расположением зерен, их разновысотностью и различными расстояниями между

Понятие «глубина резания» при обработке абразивным и металлическим инструментом, не является одинаковым.

отсутствует. В этом случае, например, при продольном точении, глубиной резания t называется размер среза материала, измеренный в направлении его ширины: t = b sin ф, где b — ширина среза; ф — угол резца в плане.

При 100%-ной концентрации зерна (порошок) алмаз­ ных и кубонитридоборных кругов по объему занимают только 25% шлифующего слоя, а остальные (75%) зани­ мает связующее вещество и наполнитель.

Концентрация алмаза в инструменте

где wa — объем зерна -.(алмаза-, -КН-Бф-в і|р у re; V — пол­ ный объем алмазо эсного слоя; п числр зерен в круге;

р, — коэффициент, учитывающий заполнение круга связ­ кой и наполнителем:

Например, для зернистости 100/80, когда а = 0,1 при 100%-ной концентрации (р = 4), согласно выражению (5), имеем п ^ 117 зерен/мм3.

При качественном изготовлении кругов, когда зерна равномерно распределены по всему режущему слою, среднее расстояние между зернами

При прочих равных условиях (размере зерна, связке) среднее расстояние между зернами в круге обратно про­ порционально корню кубическому из его концентрации:

При определении среднего расстояния между шлифую­ щими зернами абразивных кругов исходим из количества зерен в 1 г зерна и типовых соотношений между объемом зерен, пор и связки в зависимости от зернистости и струк­ туры круга. Выделим из круга единицу его объема, рав­ ную 1 см3, считая, что для данного круга среднее рас­ стояние между зернами является величиной постоянной:

/2 = 1 0 мм; z = - у ;

количество зерен в 1 см3 круга

откуда

(8)

18

где N — номер структуры шлифовального круга. Подставляя значение g в выражение (8), получим

Элементы режима резания

Толщина и форма среза. Под срезом понимается толщина слоя, снимаемая одним шлифующим зерном (аг) —расстоя­ ние между поверхностями резания (царапания), образован­ ными двумя последовательными положениями вершины зерна, измеренное по нормали к поверхности резания^

При наружном кругловом шлифовании с продольной подачей, когда поверхностью резания является поверх­ ность, образованная семейством винтовых гипоцикличе-

ских кривых, толщиной среза будет отрезок С ^ , изме-

19