Контактные явления при шлифовании металла

09.06.2018
Шлифование — один из старейших технологических процессов обработки материалов и в то же время остается одним из слабоизученных, несмотря на возрастающую роль его в промышленности.

На рис. 49 показана зависимость съема металла от времени шлифования для двух кругов различной твердости, работающих в равных условиях при разном давлении. Как видно из рис. 49, режущие свойства кругов весьма различны.

На рис. 50 показана зависимость глубины шлифования от удельного давления на круг. Зона I соответствует условиям трения абразивных зерен о поверхность металла, съем металла практически отсутствует; зона II характеризуется условиями царапания зерна по металлу, металл выдавливается из царапин и удаляется трущимися зернами; зона III соответствует условиям образования стружки, происходит резание металла.


Напряженное состояние в зоне контакта абразивного зерна с металлом можно описать на основе теории упруго-пластического соударения твердых тел, вызывающих усталостное разрушение металла и износ абразива. В реальных условиях на поверхности круга образуются режущие кромки, которые частично воспринимают давление, действующее на круг, так как сзади режущих кромок расположены контактные зерна, создающие царапины или только трущиеся о поверхность контакта. Режущие кромки производят ломающее действие в пластической зоне, создавая стружку. Чем более под действием ударов зерен возрастает пластическая зона, тем интенсивнее стружкообразование.

Схема стружкообразования при шлифовании приведена на рис. 51. Деформацию металла в зоне стружкообразования можно разделить на две стадии. При заглублении вершины зерна на величину, соизмеримую с радиусом округления вершины резца аz=р, происходит пластическое смятие металла и выделяется большое количество тепла, при дальнейшем заглублении вершины резца на величину аz>р начинается образование стружки по общепринятой схеме работы лезвия со своими источниками тепла.

Если принять во внимание, что процесс резания при шлифовании прерывистый при огромном количестве зерен-резцов, а толщины среза весьма малые, то следует считать энергию, затрачиваемую на пластическое смятие, весьма значительной. Эта энергия способствует высоким тепловыделениям в зоне контакта, которые и создают фактические условия стружкообразования, т.е. обработку нагретой поверхности металла. Чем выше хрупкая прочность абразивного зерна и выше твердость круга, тем интенсивнее процесс тепловыделения в контактных слоях, и при более высоких значениях подачи обеспечивается практически полное удаление тепла со стружкой.

Снимаемая стружка имеет сплошной контакт с большим количеством абразивных зерен и связкой инструмента. Стружка, встречаясь с соседними зернами, испытывает дополнительную деформацию, которая в зависимости от природы материала измельчает и деформирует ее в той или иной степени, встречаясь со связкой, способствует ее выгоранию и возникновению химических реакций в зоне контакта. Взаимодействие зерен с металлом при шлифовании носит прерывистый характер, поэтому время контакта участка круга с обрабатываемой поверхностью составляет десятитысячные доли секунды и имеются тенденции к сокращению этого времени за счет повышения скорости шлифования путем создания высокопрочных твердых кругов, а для обрабатываемой поверхности металла время контакта с участком поверхности круга составляет десятые доли секунды и зависит от скорости подачи. Для этих условий оптимальный вариант будет создаваться в тех случаях, когда участки круга из-за прерывистости процесса не будут аккумулировать тепло, т. е. наряду с повышением производительности шлифования будет достигаться более высокая стойкость инструмента.

Распределение тепла в поверхностных слоях металла при шлифовании q(Вт/м2) можно определить на основе закона Фурье;

где Л — коэффициент теплопроводности металла;

grad t — скорость изменения температуры металла.

Схема распределения температуры на поверхности заготовки показана на рис. 52. Выделим на расстоянии х от поверхности заготовки слой толщиной dx, ограниченный двумя изотермическими поверхностями. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности имеет вид:

где Л — коэффициент теплопроводности при начальной температуре, Вт/(см*°С);

в — температурный коэффициент теплопроводности.

На основании закона Фурье и с учетом выражения (IV.2) для плоской стенки можем записать

Разделив переменные, получаем

Интегрируя последнее выражение:

Подставляя в уравнение (IV.5) граничные значения переменных х = 0, t = t1;

и вычитая из формулы (IV.6) уравнение (IV.7), находим выражение для удельного теплового потока из зоны контакта шлифовального круга с заготовкой:

Общее количество тепла Q (Дж), проходящее через поверхность заготовки s (м2) в течение времени т (ч), имеет вид

Уравнение распределения температуры в поверхностных слоях заготовки получается после решения уравнения (IV.5) относительно t и подстановки значения с из уравнения (IV.6), т. е.

Учитывая известное выражение для удельного теплового потока из зоны контакта шлифовального круга с металлом

где Pz — касательная составляющая силы резания, кгс;

vкр — линейная скорость круга, м/с;

vпод — скорость подачи заготовки, м/с;

E — механический эквивалент теплоты, Дж/кал;

s — площадь контакта круга с металлом, м2, получим формулу для общего количества тепла

где т=H/vпод — время контакта круга высотой H с металлом.

Таким образом, теплообразование в зоне контакта круга с металлом определяется теплофизическими константами металла и режимными факторами шлифования.

Наибольшее влияние на процесс теплообразования оказывают следующие факторы: теплопроводность металла, усилие шлифования, скорость шлифования и величина подачи, геометрические размеры круга и начальная температура металла.

Основное количество тепла, образуемого в зоне контакта круга с металлом, удаляется со стружкой (до 90%). Чем больше удается отвести тепла из контактной зоны со стружкой, тем эффективнее процесс шлифования в целом, т. е. выше производительность и стойкость инструмента. Положительное влияние на процесс оказывает дополнительное выделение тепла в зоне контакта за счет введения в состав массы инструмента порошкообразных металлов типа титана, циркония, которые при шлифовании вступают в реакцию химико-технологического горения со значительным выделением тепла.

Тепло реакции разупрочняет поверхностные слои металла, сечение срезаемой стружки увеличивается при тех же давлениях на круг, снижаются условия ограничения по хрупкой прочности материала абразивных зерен, т. е. создаются возможности дальнейшего повышения производительности за счет увеличения давления на круг.

Продукты реакции горения вышеуказанных металлов представляют собой тугоплавкие соединения, которые снижают износ абразивных зерен. Ограничения в процессе шлифования наступают по условиям недостаточной теплостойкости органической связки, и возрастающее значение приобретает охлаждение режущей кромки инструмента, что в общем случае обеспечивается за счет организации принудительного охлаждения. Основным направлением, например, самого интенсивного процесса силового и скоростного шлифования — абразивной резки — являются одновременное повышение линейной скорости круга, максимально возможное охлаждение инструмента и введение в состав круга составляющих, повышающих тепловыделение в контакте.

Таким образом, процесс силового и скоростного шлифования представляет собой срезание нагретых до высоких температур (вплоть до температуры плавления основы стали ~1500° С) слоев металла. При столь высоких температурах даже весьма различные по пластичности при нормальных или рабочих температурах стали и сплавы в условиях контакта круга с металлом существенно разупрочняются и имеют близкий уровень прочностных свойств. Поэтому лучшее понимание контактных условий при шлифовании будет достигнуто при первоочередном уяснении механизма износа инструмента с позиций хрупкого и пластического разрушения режущих зерен, явлений адгезионного, абразивного, диффузионного и химического износов инструмента.

Характер самозатачивания инструмента по мере роста твердости и соответствующего давления на круг существенно изменяется.

Твердость круга определяют как свойство связки удерживать зерна в инструменте. Физически твердость круга представляют величиной силы, необходимой для отрыва зерна. Считают, что чем больше в круге связки и меньше пор, тем выше твердость инструмента. Твердость инструмента выражают буквами. Твердость кругов определяют различными методами. Твердость крупнозернистых кругов для силового и скоростного шлифования оценивается по рецептуре, так как широко принятый пескоструйный метод контроля твердости дает значительные отклонения.

При малых значениях удельного давления самозатачивания происходит хрупкое разрушение режущей части абразивных зерен в виде сколов микрообъемов материала или в виде разрушения зерен крупными блоками. Этот вид износа наступает при «ломающих» толщинах среза стружки. Проф. Т.Н. Лоладзе и Г.В. Бокучава показали, что значения предельных толщин среза, лежащие выше кривых на рис. 53, соответствуют условиям самозатачивания при определенном угле заострения зерна, а значения, лежащие ниже, соответствуют размерной обработке при шлифовании.

При увеличении удельного давления на инструмент в связи с увеличением его твердости возможно пластическое разрушение режущей части абразивного зерна. Предпосылкой для этого вида износа является высокая, вплоть до плавления основы обрабатываемого металла контактная температура, однако абразивные материалы обладают значительным запасом пластической прочности по отношению к обрабатываемым в металлургии сталям и сплавам. Учитывая сравнительно низкую хрупкую и весьма высокую пластическую прочность абразивных материалов, эффективность шлифования возрастает при высоких скоростях резания, которые повышают толщины среза при постоянном удельном давлении и разупрочняют обрабатываемый металл. Увеличение скорости шлифования приводит к росту напряжений в круге и требует более прочного инструмента.

Динамический модуль шлифовального круга, как показали исследования F.G. Rammerstorfer, F. Hastik, линейно повышается с увеличением твердости инструмента. Поэтому сохранение режима самозатачивания в этих условиях требует в свою очередь повышения удельного давления на инструмент. В результате перехода к инструменту более высокой твердости, работающего в режиме самозатачивания, существенно повышается удельный съем металла и растет эффективность процесса шлифования (см. рис. 4).

По мере дальнейшего увеличения твердости абразивных кругов при достаточной хрупкой и пластической прочностях материала зерна износ инструмента резко замедляется. В этих условиях в действие преимущественно вступают адгезионный, абразивный, диффузионный и химический виды износа или чаще на практике — комбинированный.

Механизм адгезионного износа состоит в том, что с контактных поверхностей зерен путем среза и отрыва под действием сил «схватывания» удаляется инструментальный материал. Высокое контактное давление материала зерна со свежеобнаженными поверхностями обрабатываемого металла интенсифицирует явление износа. Дефекты в абразивных зернах и неоднородность их строения повышают вероятность адгезионных явлений.

Теория явления адгезии предполагает, что износ уменьшается при следующих условиях: при большем значении различия в твердости двух контактирующих материалов, при понижении температуры в зоне контакта, при уменьшении времени контакта, т. е. с повышением скорости, при образовании пленок с низким сопротивлением сдвигу на контактных площадях, т. е. при введении соответствующих наполнителей. Считается установленным, что адгезионный износ пропорционален ширине площадки износа по задней поверхности, а так как действительная площадь контакта пропорциональна прилагаемой нагрузке, то, следовательно, интенсивность износа пропорциональна прилагаемой нагрузке.

Абразивный износ проявляется в «пропахивании» поверхности материала зерен более твердыми частицами карбидов, нитридов, силицидов и других соединений, присутствующих в обрабатываемых, в особенности в сложнолегированных, сталях и сплавах. Абразивный износ интенсифицируется при обработке сталей и сплавов по литейной корке, по мере роста контактных температур и аккумуляции тепла в режущих зернах.

Абразивный износ представляет процесс резания и поэтому определяется геометрией контактирующих материалов, соотношением их твердости и жесткостью закрепления твердых частиц в обрабатываемом материале. Установлено, что с повышением отношения твердости к модулю упругости инструментального материала последний лучше сопротивляется абразивному износу. Абразивный износ увеличивается с ростом размеров твердых частиц в обрабатываемом материале и с увеличением их коэффициента трения с инструментальным материалом.

Взаимное молекулярное проникновение частиц абразивного и обрабатываемого материалов создает явление диффузионного износа. Температура контакта, достигающая температуры плавления обрабатываемого металла, ускоряет процессы диффузии в миллионы раз. Химическое сродство абразивного и обрабатываемого материалов способствует диффузии.

Исследованиями авторов установлено, что в зоне контакта абразивного круга с металлом проходят химические взаимодействия между абразивным зерном, связкой, наполнителем, обрабатываемым металлом и окружающей средой. Высокотемпературные контактные явления при силовом и скоростном шлифовании представляется возможным рассматривать с позиций теории химико-технологического горения. Особенности горения связаны с сильной экзотермичностью контакта, что предопределяет большие скорости реакции и полноту превращения исходных веществ в конечные. Регулирование температуры контакта за счет введения дополнительного источника энергии, изменения концентрации участвующих в процессе веществ с определенной дисперсностью, регулирование удельного давления в контакте круга с металлом позволяют управлять химико-технологическим процессом горения при шлифовании и на первом этапе существенно снизить износ инструмента и повысить эффективность процесса. Так, например, введение в отрезной круг в составе наполнителя порошкообразного титана или циркония при резке стали позволяет повысить подачу, т. е. сократить время реза без увеличения мощности главного привода, и повысить число резов одним кругом.

Передняя грань зерна-резца в процессе стружкоотделения располагается в предельных случаях под углом 90° или весьма тупым углом, приближающимся к 180°. Маловероятно, что передняя грань зерна-многогранника из-за неправильности формы расположится под острым углом, потому что при недостаточной хрупкой прочности зерна произойдет его разрушение, а при достаточной хрупкой прочности зерна, защемленного в твердом прочном инструменте, оно будет стремиться занять в силу упругости связки положение между предельными значениями углов. Поэтому среднее значение угла резания абразивного зерна в работе оптимизируется и принимает значение бср = 135°. Передний угол тогда имеет значение уср = 90° — бср = 45°. Форма зерна определяет угол заострения. В предельных случаях (форма зерна четырех и шестиугольник) угол заострения имеет среднее значение вcp = 105°. Главный задний угол зерна при отделении стружки по определению будет равен аср = бср—вср = 30°.

Вышеприведенная оценка формы зерна позволяет определить угол при вершине зерна-резца eсp = 105°, углы в плане фср = ф1cp = 37,5°, угол наклона главной режущей кромки лср = +18°, -18°.

Кромки абразивных зерен имеют криволинейный ломаный вид, поэтому зерна-резцы в одно и то же время находятся под воздействием разных по знаку сил, имеют сложный характер износа. Следует отметить, что такая геометрия инструмента практически не изучена.

Суммарное воздействие явлений износа на абразивные зерна приводит к притуплению режущей кромки круга, что можно обнаружить по значительным площадкам износа на зернах. Вследствие этого на изношенных зернах возникают отрицательные задние углы (рис. 54). В течение одного реза на зерно действует сила, имеющая два максимальных значения за этот период. В случае недостаточного вертикального давления на круг интенсивность съема стружки снижается, доля трения в процессе увеличивается, возникает вибрация, мощность привода расходуется не производительно.

Режим самозатачивания, тупые углы резания, как основные особенности процесса силового и скоростного шлифования, создают ряд дополнительных особенностей при стружкообразовании.

Стружка после шлифования имеет вид, подобный стружке при лезвийной обработке: пластичные материалы имеют сливную, хрупкие и малопластичные — элементную стружку. Стружка после шлифования стали 45 и сплава на основе титана иногда имеет форму полого шара или «головастика», что указывает на ее оплавление от воздействия высокой температуры контакта и экзотермической реакции горения.

К специфическим особенностям процесса стружкообразования при шлифовании относятся: высокая скорость отделения стружки (до 100 м/с), а следовательно высокая скорость деформации (до 10в5 с-1) и малая усадка стружки (до 1,3—1,5), малые толщины среза и высокая, вплоть до плавления основы обрабатываемой стали, температура контакта.

При рассмотрении процесса шлифования сравнивают абразивный круг с фрезой, которая имеет значительное число режущих зубьев. Ряд авторов показали, что максимальная толщина среза h будет приближаться к глубине резания, когда возрастает подача s, а скорость шлифования v и число режущих зерен на единицу длины круга ip уменьшаются.

Выражение для определения толщины среза для круглого шлифования имеет вид (рис. 55)

где tф — фактическая глубина резания;

D,d — соответственно диаметр заготовки и шлифовального круга.

Число зерен, находящихся на режущей поверхности круга в слое, равном по высоте размеру зерна в поперечнике, Г.М. Ипполитов предлагает определять по следующему выражению:

где d — диаметр круга;

H — высота круга;

а — средневзвешенные размеры зерна в поперечнике;

К — коэффициент, учитывающий количество зерна в круге, K = 0,8/0,9;

у — плотность круга; ir — число зерен в единице массы круга.

Выражение (IV.13) для плоского шлифования, когда D—>00 имеет вид:

Длина среза l при шлифовании равна пути зерна в контакте с заготовкой.

Выражение для l при круглом шлифовании имеет вид

при плоском шлифовании

Скорость съема стружки при шлифовании можно определить аналогично, как и в процессе однолезвийного резания: для плоского шлифования

для круглого шлифования Q

где Q — объем металла, снятого в единицу времени;

s — продольная подача;

b — ширина резания при плоском шлифовании;

D — диаметр заготовки.

Уравнения (IV.18), (1V.19) соответствуют условиям малого износа инструмента. Для определения скорости съема стружки по числу стружек и их объему нет удобных выражений для практического пользования.

Удельную энергию при шлифовании определяют из выражения

где Pz — касательная составляющая силы резания при шлифовании;

Q — объем металла, снятый в единицу времени.

Удельная энергия при шлифовании существенно ниже, чем при лезвийной обработке. Это отличие объясняют масштабным фактором, основанным на теории дислокации, т. е. при шлифовании деформация происходит в малом объеме, определяемом толщиной среза стружки и содержащем меньшее количество дислокаций по сравнению с обрабатываемым металлом.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: