книги из ГПНТБ / Корчак, С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей

этих сталей по химическому составу, исходным струк­ турам и механическим свойствам.

Следует отметить, что до сих пор отсутствует объясне­ ние влияния твердости и прочности стали [29] на ее обрабатываемость. В табл. 2 приведены для сравнения данные по изменению относительной производительности

Резюмируя итоги работ по влиянию различных харак­ теристик металлов на их обрабатываемость шлифованием, можно отметить следующее: А. В. Абанов ставит обраба­ тываемость шлифованием в обратную зависимость от механических свойств стали, а именно от истинного со­ противления разрушению и пластичности; Л. В. Альтшу­ лер, М. П. Сперанская и Б. Н. Костецкий указывают на влияние структуры закаленных сталей на обрабатывае­ мость их шлифованием; Нортон отрицает влияние струк­ туры; Ю. А. Геллер, Н. А. Минкевич и Н. И. Волский считают, что обрабатываемость шлифованием зависит от химического состава сталей, главным образом от способ­ ностей сталей образовывать твердые карбиды; Н. И. Вол­ ский выводит многозначную зависимость обрабатывае­ мости от структуры, химического состава и механических свойств шлифуемой стали.

Ю

данные о рациональных условиях обработки новых ме­ таллов могут быть определены либо путем сравнительной оценки по имеющимся данным об обрабатываемости ранее исследованных металлов, либо рассчитаны с помощью выявленных зависимостей характеристик обрабатывае­ мости от физико-механических свойств металлов и их химического состава с учетом технологии изготовления и микроструктуры.

Так как обрабатываемость в конечном итоге оцени­ вается производительностью обработки, а на последнюю влияют не только свойства обрабатываемого материала, а много различных технологических факторов (например, износ и стойкость инструмента), представляется целе­ сообразным разделить эти понятия. Ниже термин «обра­ батываемость» применяется только для оценки свойств обрабатываемого металла оказывать сопротивление пла­ стическому деформированию в конкретных условиях про­ цесса шлифования (или резания металлическим инстру­ ментом), а так как, кроме этого фактора, будет рассма­ триваться действие и других технологических параметров, то в общем случае ниже применяется термин «произво­ дительность процесса обработки».

Относительные величины производительности шли­ фования оцениваются либо по объемному съему металла в единицу времени на 1 кгс действующей на инструмент силы, либо по пропорциональной ей толщине среза от единичного зерна при определенном силовом нагружении его. Такой смысл, вкладываемый в понятие «производи­ тельность процесса», позволяет подойти к определению съема металла при достижении предельно допустимых системой СПИД сил резания, еще обеспечивающих тре­ буемую точность и качество детали, т. е. с учетом воз­ можных реальных технологических условий процесса обработки.

Переходя к формулированию исходных теоретических положений, взятых за основу в дальнейших исследова­ ниях, обратимся вначале к ряду известных особенностей процесса шлифования. Известна легкость разрушения шлифовального круга даже мягкой сталью при обтачи­ вании на малой скорости, в то время как на скорости шлифования круг не разрушается, а металл легко сошлифовывается. Обращает на себя внимание отсутствие, как указывалось выше, влияния твердости и предела прочности сталей на производительность шлифования их,

12

а также очень низкая производительность шлифования жаропрочных сталей. Многие исследователи [29, 34, 35, 51 ] фиксировали наличие в той или иной степени отпуска поверхностных слоев прошлифованных деталей. Отпуск — это уже следствие высокой температуры (1100— 1300° С), возникающей в поверхностных слоях детали в момент резания зерном круга. По данным ряда исследователей, она даже достигает температуры плавления [6, 7, 35, 31 ]. Однако после прохождения зерна температура в поверх­ ностных слоях очень быстро падает. Поэтому возникают, по крайней мере, два вопроса:

а) подвергаются ли глубинные слои, срезаемые зер­ нами круга (в пределах толщины срезаемого слоя) за время прохождения зоны контакта, однократному или многократному действию одного или соответственно не­ скольких зерен, ширина рисок от которых перекрывается?

б) если срезаемые слои и формирующаяся при этом новая поверхность подвергаются действию нескольких зерен за время прохождения дуги контакта, то успевает ли к подходу очередного (последующего) зерна темпера­ тура срезаемого объема металла понизиться в значитель­ ных пределах?

Если очередное зерно входит в металл, еще сохраня­ ющий высокую температуру, то оно совершает работу в среде не только отпущенного, но и нагретого до высокой температуры металла. При этом очень разные механиче­ ские свойства (твердость, прочность) исходных «холодных» сталей, особенно имеющих разную термическую обра­ ботку (например, закаленных и нормализованных), будут в определенной мере нивелироваться при нагреве выше критических точек, однако сопротивление разных по химическому составу сталей пластическому деформиро­ ванию в горячем состоянии будет существенно отличаться друг от друга и может оказаться, что относительная раз­ ница прочностей в «холодном» состоянии не совпадает с разницей их при высокой температуре (см. табл. 2). Известны специальные жаропрочные стали и сплавы, которые хорошо сопротивляются механическим нагруз­ кам в горячем состоянии. Эти материалы в меньшей мере теряют прочность при нагреве (а есть сплавы, которые даже повышают ее в определенных высокотемпературных интервалах), чем другие стали. Очевидно, это свойство в разной степени присуще всем сталям и именно оно, на наш взгляд, вызывает закономерное изменение произво­

13

дительности при шлифовании сталей разного химического состава.

В свете изложенного основные теоретические пред­ посылки настоящего исследования могут быть сформули­ рованы следующим образом: а) в зоне дуги контакта круга и детали (для условий круглого шлифования с радиальной подачей) за время поворота детали на длину дуги контакта проходит несколько абразивных зерен, ширина рисок от которых перекрывается; б) в момент врезания зерна температура металла в зоне контакта остается высокой в результате работы предшествующих зерен, т. е. работа зерна на всем пути резания происходит в среде нагретого до высокой температуры металла и только на выходе зерно попадает во вновь подаваемые (за счет вращения детали) холодные слои металла; в) про­ изводительность шлифования разных сталей находится в закономерной функциональной связи с сопротивлением нагретых до высокой температуры сталей пластическому деформированию.

Хотя работа внешних сил при шлифовании расходуется также на диспергирование металла, преодоление пленок СОЖ и химико-окислительные процессы, удельный вес этих затрат невелик [22, 43, 56 ] по сравнению с затра­ тами работы на пластическое деформирование металла при стружкообразовании и контактном трении. А о том, что при шлифовании сталей происходит пластическая де­ формация металла, свидетельствует внешний вид шлифо­ вочных стружек (см. рис. 11) и особенно микрошлифы их (см. рис. 17).

Без знания сил сопротивления сталей пластическому деформированию, т. е. напряжений при шлифовании, и закономерностей их изменения невозможна правильная количественная оценка производительности обработки. Поэтому дальнейшее содержание книги посвящено: а) изу­ чению реакции нагретого до высокой температуры ме­ талла на внешние силы и разработке на этой основе расчетного метода определения производительности про­ цесса шлифования, протекающего в различных техноло­ гических условиях; б) получению расчетных и экспери­ ментальных данных по относительной производительности шлифования сталей разного химического состава с учетом разных технологических условий, встречающихся в прак­ тике, — различного силового нагружения системы СПИД, учета геометрии и степени затупления зерен круга;

14

эти данные могут быть использованы как для проверки теоретических положений и выведенных ниже функцио­ нальных зависимостей исследования, так и для исполь­ зования в нормативах режимов шлифования и норм основного времени.

Так как производительность процессов обработки

впериод формообразования поверхностей детали (точность

икачество которой в практике могут быть обусловлены самыми различными и многообразными техническими требованиями) может зависеть от ряда технологических условий обработки, вначале рассмотрим основы такой зависимости и возможность установления в самом общем виде структуры функциональной связи производитель­ ности процесса резания с рядом определяющих техноло­ гических факторов.

Общая функциональная зависимость производительности процесса резания от технологических условий обработки

Для получения сравнительных количественных дан­ ных по производительности процессов резания (например, точения) разных сталей необходим критерий, по которому можно было бы проводить соответствующие сравнения. Оценка сопротивления металлов пластическому деформи­ рованию обычно производится по величине тех или иных напряжений, возникающих в зоне резания.

Критические точки напряжений, полученные при мед­ ленных деформационных испытаниях, не соответствуют значениям напряжений при скоростных деформациях резанием [16]. Например, Н. Н. Зорев определял силу

тельном сдвиге, равном 2,5.

Н. И. Ташлицким было установлено, что влияние механических свойств сталей на их обрабатываемость при точении быстрорежущими резцами следует оценивать по ее действительному пределу прочности. Было пока­ зано, что действительный предел прочности, по-видимому, пропорционален возникающему в контактном слое про­ дольной текстуры стружки и максимальному касатель­ ному напряжению, от которого зависит удельная работа и, следовательно, удельное количество теплоты, выде­ ляющейся в этом слое.

15

Аналогичные критерии, связанные главным образом с величиной касательных напряжений в зоне сдвига, приводятся и в других работах.

Обрабатываемый металл в зоне резания характери­ зуется сложнопластическим состоянием, а сдвиг элементов металла и образование стружки являются результатом пластического течения металла в направлении наимень­ шего сопротивления, сопровождаемого определенными величинами нормальных и касательных напряжений в этой зоне. Работы в области теории пластичности свидетель­ ствуют, что основные физические закономерности этой теории применимы к любому виду сложнонапряженного состояния деформируемого металла с той или иной сте­ пенью точности.

Теория больших пластических деформаций для оценки сложнонапряженного состояния металла использует обоб­ щенный показатель напряженного состояния-— интенсив­ ность напряжений стг, численная величина которой зависит от нормальных и касательных напряжений и больше каждой из них, т. е. величины касательных и нормальных напряжений являются численно частью величины интен­ сивности напряжений. Таким образом, эта величина характеризует напряженное состояние во всех объемах металла, воспринимающих внешнее силовое воздействие инструмента, а не только в зоне сдвига. В связи с этим этот критерий более полно характеризует напряженное состояние во всей напряженной зоне резания и, следова­ тельно, более правильно отражает сопротивление сталей деформации резанием.

Наряду с этим основной физический закон больших пластических деформаций (к которым относятся процессы резания металлов) ставит напряжения в зависимость от

степени деформации е{, скорости деформации е(. и тем­ пературы деформируемого металла U °С. Процессы реза­ ния и шлифования металлов являются скоростными про­ цессами, в которых скорость деформации на 6— 10 по­ рядков отличается от скорости деформации стандартных механических испытаний. Поэтому следует учитывать изменение напряжений в зоне резания от высокой ско­ рости деформации особенно при высокой температуре. Тем более, что скорость деформации отражает не только скорость резания, но обобщает влияние комплекса тех­ нологических условий обработки — геометрию инстру­ мента (передний угол), свойства материала (расположе-

16

ным работы [57 ] в наиболее полной мере харак­ теризует сопротивление металла пластическому течению и выражается в общем случае через со­ ставляющие напряжений разных направлений (для плоской схемы деформации):

^ = у ц ^ щ + у , - ,

ег — интенсивность деформаций;

е(. — интенсивность скорости деформаций.

Из формулы (1) мощность деформации для плоской схемы резания (см. рис. 29)

где ау — толщина среза;

Pi — Угол сдвига;

т — средняя толщина зоны пластического сдвига. Учитывая, что мощность резания может быть выра­ жена через равнодействующую силу резания Rs и ско­

Равнодействующую сил резания раскладывают при свободном резании, как известно, на две составляющие — тангенциальную Рг и радиальную Ру, функции которых различны в системе СПИД. Тангенциальная составля­

18

ющая Рг совершает совместно с главным рабочим движе­ нием работу резания, загружая силовой привод станка. Одновременно с Р , в процессе резания действует состав­ ляющая Ру, вызывающая упругие деформации и отжатия в системе СПИД, колебания которых оказывают наиболь­ шее влияние на точность размеров и форму деталей.

В реальных условиях обработки равновесие внешних сил резания и сил сопротивления сталей пластическому деформированию непрерывно нарушается от действия многих внешних причин — колебаний припуска, износа инструмента, неравномерности свойств обрабатываемого материала. При этом происходит перераспределение упру­ гих перемещений в замкнутом силовом контуре системы СПИД, что приводит к колебаниям размера обработки, нагрузки на инструмент, изменению характера вибраций и прочим нарушениям нормального хода процесса об­ работки.

Роль составляющих сил резания Рг и Ру как техно­ логических факторов, ограничивающих дальнейшее на­ гружение системы СПИД, не равноценна. При резании на постоянной подаче вместе с колебаниями припуска колеблются Рг и Ру. Но если изменение Рг отражается только на колебаниях мощности, затрачиваемой силовым приводом станка, и не отражается на точности детали, то изменения величин Ру приводят к появлению динамиче­ ских отклонений от точных размеров и формы детали (в результате колебаний упругих перемещений системы СПИД), т. е., как правило, приводят к невозможности получить с одного прохода точную деталь.

Определяющая роль радиальной составляющей силы резания в управлении упругими перемещениями, точ­ ностью и производительностью обработки через автомати­ ческое управление режимами резания всесторонне пока­ зана в трудах Б. С. Балакшина [2, 3].

Так, в работе [3 ] показана связь упругих перемещений замыкающего звена (у) размерной цепи системы СПИД (размер детали) с силой резания Р и жесткостью состав­ ляющих систему элементов /:

y = f ( P , i ) -

Уравнения такого вида, составленные для различных видов и конкретных условий обработки, позволяют пра­ вильно понять появление отклонений размера у, а сле­ довательно, и появление погрешностей обрабатываемых