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

c Ra = 1,12 мкм, но более мелкозернистый круг Э25СМ2К дает меньшую шероховатость Ra = 0,64 мкм.

При шлифовании на более высоких скоростях разница в зернистости круга сказывается на шероховатости шли­ фованной поверхности в значительно меньшей степени в связи с тем, что в этом случае число встреч круга с опре­ деленным участком детали значительно. Применение зачистных ходов позволяет снизить шероховатость шлифо­ ванной поверхности, стабилизация которой наступает после пяти-восьми двойных зачистных ходов. При чисто­ вом шлифовании следует применять не менее пяти—восьми зачистных ходов без поперечной подачи.

Шероховатость обработанной поверхности в зависи­ мости от режима и условий шлифования

где Сда — коэффициент, учитывающий физико-механиче­

зачистных ходов и охлаждение 2%-ным раствором кальци­ нированной соды.

Для указанных условий формула (121) принимает сле­ дующий вид:

490r°'6¥ - 56s0'75

При чистовом шлифовании не рекомендуется применять чрезмерно малые поперечные подачи (/ 0,005 мм), ко­ торые создают весьма малые нагрузки на абразивные зерна и их скольжение о шлифуемую поверхность, приводящие к значительному износу круга. Сильное влияние на шеро­ ховатость оказывает зернистость круга, причем при уве­ личении размеров зерен шероховатость резко возрастает.

Уравнение (121), устанавливающее зависимость шеро­ ховатости шлифованной поверхности от окружной ско-

191

рости детали, продольной и поперечной подач, находится в соответствии с положением о толщине слоя, снимаемого одним абразивным зерном. Указанное уравнение может быть использовано для выбора режима резания при шли­ фовании, исходя из требуемой (заданной) шероховатости шлифованной поверхности.

При шлифовании таких хрупких металлов, как чугун или бронза, образующаяся мельчайшая металлическая стружка, попадая между абразивными зернами и шли­ фуемой деталью, вдавливается в ее поверхностный слой.

Для проверки сказанного был проделан следующий опыт. В стальную модель — оправку были вставлены брон­ зовые образцы между стальными образцами. После шли­ фования на поверхности модели был получен блестящий бронзовый налет, явившийся результатом вдавливания бронзовой стружки, ясно заметный на фоне металла тем­ ного цвета. Наличие вдавленных металлических и абра­ зивных частиц в поверхностном слое шлифуемой детали отрицательно сказывается на его износостойкости.

При шлифовании происходит царапание поверхност­ ного слоя детали со снятием особо тонких стружек. В связи с этим шероховатость шлифованной поверхности зависит главным образом от режима шлифования, определяющего нагрузку на абразивное зерно, а также от свойств мате­ риала шлифуемой детали и абразивных зерен. При про­ чих равных условиях шероховатость шлифованной поверх­ ности детали из закаленной стали бывает выше по сравне­ нию с шероховатостью детали из незакаленной стали. Объяснение сказанному следует искать вероятнее всего в том, что при шлифовании закаленной стали развиваются более высокие мгновенные температуры, чем при шлифо­ вании незакаленной стали, обеспечивающие большую пластичность деформируемого металла и более благо­ приятное протекание процесса стружкоотделения.

Большое практическое значение представляет изуче­ ние вопроса о влиянии окружной скорости круга на шеро­ ховатость шлифованной поверхности. В практически при­ меняемом диапазоне окружных скоростей (окр = 10-ъ -7-30 м/с) увеличение скорости, обеспечивающее сниже­ ние нагрузки на абразивное зерно, вызывает снижение шероховатостей шлифованной поверхности. Например, круг зернистости 16 при небольшой окружной скорости (10 м/с) обеспечивает получение более шероховатой по-

192

верхности детали по сравнению с кругом зернистости 40, работающим со значительно большей окружной скоростью

(30 м/с).

Из сравнительного анализа поверхностей, шлифован­ ных на разных скоростях круга, можно сделать следующие выводы: 1) поверхности, шлифованные при более высоких окружных скоростях круга, обладают более короткими рисками по сравнению с поверхностями, шлифованными на более низких скоростях; 2) число рисок-царапин на еди­ ницу поверхности, шлифованной с большей скоростью, значительно больше по сравнению с поверхностью, шлифо­ ванной с меньшей скоростью.

Повышению окружной скорости круга соответствует уменьшение толщины слоя, снимаемого одним абразив­ ным зерном, в связи с чем и глубина рисок на поверх­ ности, шлифованной с большей окружной скоростью, должна быть меньше, чем на поверхности, шлифованной с меньшей скоростью круга.

Независимо от материала шлифуемой детали указан­ ные выше два вывода подтверждаются. Например, по­ верхность образца из бронзы, шлифованного при скоростикруга 30 м/с, имеет более короткие и более частые рискицарапины, чем поверхность, шлифованная со скоростью круга 9,1 м/с. Таким образом, повышение скорости круга обеспечивает более высокий класс чистоты шлифованной поверхности.

Зная уравнение для толщины слоя, снимаемого одним абразивным зерном круга, можно теоретически предпо­ ложить следующее: 1) увеличению частоты вращения де­ тали, продольной и поперечной подач и диаметра детали при постоянной частоте ее вращения и достаточной жест­ кости должно соответствовать возрастание шероховатости шлифованной поверхности; 2) увеличению диаметра шли­ фовального круга при постоянной частоте ее вращения должно соответствовать значительное снижение шерохо­ ватостей. Объяснение сказанного следует искать в том, что увеличение яд, s, t и d (при пд = const) вызывает воз­ растание толщины снимаемого слоя, но увеличение D (при якр = const) вызывает уменьшение указанной тол­ щины. Изменению толщины снимаемого слоя соответствует изменение нагрузки на абразивное зерно, а следовательно, и напряженности работы зерна, а также размеров оста­ точных шероховатостей вследствие более глубокого про­ никновения абразивных зерен в металл.

Шероховатость* поверхности после алмазного шлифования

Алмазное шлифование позволяет существенно повысить качество обработки деталей по сравнению с абразивным шлифованием, что объясняется меньшими толщинами сре­ зов, снимаемыми отдельными зернами, меньшими силами и температурами, развивающимися при алмазном шлифо­ вании. Шероховатость обработанной поверхности во мно­ гом зависит от физико-механических и химических свойств материала шлифуемой детали. При обработке по упругой схеме более высокая твердость материала способствует снижению шероховатости поверхности в связи с меньшим проникновением алмазных зерен в материал.. Наличие адгезионных или диффузионных процессов всегда способ­ ствует росту шероховатости, что наиболее проявляется при алмазном шлифовании сталей на повышенных ре­ жимах.

В формировании микронеровностей шлифованной по­ верхности участвует связка. Алмазные круги на бакелито­ вой связке всегда обеспечивают более высокое качество обработки по сравнению с кругами на металлической и ке­ рамической связках.

Круги на бакелитовой связке обладают свойством само­ затачивания (особенно при использовании зерна АСО), а также оказываю^ определенное заглаживающее и шли­ фующее действие на обрабатываемую поверхность, обес­ печивая снижение ее шероховатости.

С увеличением размеров алмазных зерен и уменьшением концентрации алмазов в круге снижается количество зерен на его рабочей поверхности, возрастают сечение единич­ ного среза и шероховатость поверхности. Например, уве­ личение размера зерен от 20 до 200 мкм приводит к пони­ жению классов чистоты поверхности с 11-го до 9-го при обработке сплава ВК4 и с 12-го до 10-го при обработке сплава Т30К4 [136]. Увеличение концентрации в мелко­ зернистых кругах приводит к некоторому возрастанию шероховатости поверхности. У крупнозернистых алмаз­ ных кругов увеличение концентрации алмазов, наоборот, уменьшает шероховатость поверхности, так как’возросшее на рабочей поверхности круга число режущих алмазных зерен значительно уменьшает высоту микронеровностей, чем заглаживающее действие связки. G уменьшением про­ дольной и поперечной подач шероховатость поверхности

194

снижается, что связано с уменьшением нагрузки на алмаз­ ное зерно.

Значительное влияние на шероховатость оказывает износ (затупление) алмазного круга. При тонком алмазном

того режима резания. Для кругов из кубического нитрида

При шлифовании, сопровождающемся выделением боль­ шого количества теплоты и высокими условными напря­ жениями резания, на поверхности детали образуется тон­ чайший слой пластически деформированного металла. О структуре такого слоя можно судить, исследуя его при помощи электронного микроскопа. Разные участки по­ верхностного слоя (по глубине) можно получить после­ довательным травлением поверхностного слоя.

Структура поверхностного слоя тщательно шлифован­ ной детали из углеродистой стали представлена на

пряжений является сложным, зависящим от соотношения силовых и тепловых факторов. Рассмотрим распределение остаточных напряжений в поверхностном слое детали из технического железа при различных глубинах и скоростях резания. С изменением условий обработки величина и знак остаточных напряжений изменяются (рис. 115).

При малой глубине шлифования (t = 0,005 мм), когда температуры в зоне обработки незначительны и преобла­ дающее влияние оказывают силы резания, в граничных слоях возникают сжимающие напряжения (рис. 115, а).

С увеличением глубины шлифования до і = 0,025 мм воз­ растает температура в зоне обработки, повышающая пла­ стичность материала и развивающая в поверхностном слое растягивающие напряжения (рис. 115, б). При этом в структуре технического железа не происходит значи­ тельных фазовых превращений и связанных с ними струк­ турных изменений. При значительных подачах, порядка 0,05 мм, в граничном поверхностном слое детали вновь возникают значительные сжимающие остаточные напря­ жения (рис. 115, в). Изменение знака напряжений в этом случае вызывается, видимо, резко возросшими удельными нагрузками, когда силовой фактор оказывается преобла­ дающим.

Скоростное шлифование обеспечивает снижение сте­ пени пластического деформирования металла, но повыше-, ние температуры в зоне обработки, что приводит к уси­ лению влияния теплового фактора. В результате при скоростном шлифовании растягивающие напряжения сни-

197

жаются в зоне средних глубин шлифования, а сжимаю­ щее напряжение повышается в зоне больших глубин.

На распределение остаточных напряжений влияют эле­ менты режима шлифования и физико-механические свой­ ства обрабатываемого материала. Например, при шлифо­ вании технического железа с большой скоростью детали и большой продольной подачей длительность теплового воздействия круга на деталь уменьшается и значение си­ лового воздействия возрастает, что приводит к снижению растягивающих и повышению сжимающих напряжений.

При шлифовании более прочных материалов (отожжен­ ной стали У8 и др.) остаточные растягивающие напряже­ ния развиваются в поверхностном слое как при малых, так и при больших глубинах шлифования. Во всех слу­ чаях распределение остаточных напряжений соответствует распределению температур и давлений на шлифуемую деталь.

Поверхностный слой закаленных сталей после шлифования

При абразивном шлифовании деталей из закаленных сталей развиваются весьма высокие температуры, часто превосходящие температуры точки Ас3. При таком высоко­ температурном режиме может произойти отпуск мартен­ сита, а иногда даже вторичная закалка. В процессе обра­ зования местного отпуска происходят структурные пре­ вращения, сопровождаемые изменением напряженного со­ стояния этого слоя. Если напряжения в результате этих изменений превзойдут по величине временное сопротив­ ление данного материала, то образуется трещина.

Процесс возникновения остаточных напряжений в за­ каленных сталях при шлифовании может быть представ­ лен следующим образом [62]. Температура нагрева в по­ верхностном слое изменяется в соответствии с кривой АБВГД (рис. 116, а), причем в точке А на поверхности детали температура является максимальной и в точке Д — минимальной. Максимальная температура при определен­ ных условиях шлифования может приближаться к тем­ пературе плавления шлифуемого металла. В процессе шлифования слой 1, нагретый до температуры от точки Ас3 до ^max. при последующем быстром охлаждении закалится вторично. Слой 2, нагретый до температуры от точки Асц до точки Ас3 при охлаждении получит неполную закалку,

198

Слой 3, нагретый до температуры точки Асъ получит отпуск и мартенсит распадется. Непосредственно при шли­ фовании в слоях 1—3 внутренних напряжений не будет, так как нагретый металл является пластичным. В рас­ сматриваемое время нагретый слой 4 стремится увеличить свой объем, но будучи упруго связан со слоем 5, возра­ стет не на полную величину, обусловленную его тем­ пературным коэффициентом объемного расширения, а лишь

Рис. 116. Схема возникновения внутренних остаточных напряжений в закаленной стали после шлифования

частично. В результате слой 4 будет испытывать внутрен­ нее сжимающее напряжение, а слой 5 — растягивающее (кривая 1 На рис. 116, б).

При охлаждении шлифованной поверхности до тем­ пературы tr (ниже точки ЛС]) пластичность металла (в слоях I—3) резко снизится (металл получит низкие упругие свойства) и изменение объемов этих слоев не будет сопровождаться возникновением значительных вну­ тренних напряжений. При весьма быстром охлаждении слоев 1—3 до температуры ія (близкой к 20° С) в назван­ ных слоях возникнут дополнительные внутренние напря­ жения. Если в слоях / и 2 будет преобладать структура остаточного аустенита, а слои 3 и 4, имеющие относи­ тельно большую толщину, приобретут структуру троостита, то преобладающими окажутся остаточные напря­ жения растяжения (кривая II на рис. 116, б). Если

№

в слоях 1 и 2 будет преобладать структура вторичной закалки, а отпущенный слой будет незначительным, то в детали будут преобладать напряжения сжатия (кри­ вая III на рис. 116, б). Могут быть такие условия шлифо­ вания и свойства обрабатываемых сталей, при которых остаточные напряжения будут взаимно нейтрализовываться.

При изучении кинетики напряженного состояния ме­

кают сжимающие напряжения до 294 МН/м2 для армкожелеза и до —196 МН/м2 для закаленной стали У12А. После прекращения шлифования (после прохождения круга по всему образцу) через 4—5 мин напряжения ме­ няют свой знак и переходят в растягивающие: для армкожелеза 98 МН/м2 и для закаленной стали 48—59 МН/м2, Изменение знака напряжений связано с достаточно вы­ сокими температурами, развивающимися в процессе шли­ фования. Принципиальный вид закономерности изменения знака напряжений является одинаковым для армко-железа и закаленной стали, хотя при шлифовании закаленной стали напряжения зависят не только от температурных факторов, но и от фазовых превращений.

При абразивном шлифовании с повышенным режимом резания закаленная сталь испытывает вторичную закалку на аустенит. Верхний закаленный слой лежит на слое сильно отпущенного металла, который по мере углубле-

200