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

ное расположение образца и круга, наличие вращения шлифуемого образца, необходимая жесткость в направле­ нии силы Ру, неподвижные центры); кроме того, можно применять бесступенчатое регулирование частоты враще­ ния образца в широком диапазоне и изменение попереч­ ной подачи путем изменения груза. Для оценки резуль­ татов экспериментов был проведен ряд предварительных опытов [29] для проверки стабильности работы приспо­ собления. Опыты показали, что затупление круга во вре­ мени при постоянных условиях шлифования на описанном приспособлении идет одинаково при неоднократном пов­ торении; диаметр образца в значительной мере влияет на линейный съем с образца и при плавке алмазным ка­ рандашом—цепочкой—круг не имеет одинаковых режу­ щих свойств, что можно объяснить как изменением микро­ рельефа круга в результате затупления алмазного зерна (положение зерна при правке сохранялось постоянным), так и тем, что при разных правках на поверхности круга каждый раз наблюдалось разное количественное соотно­ шение зерна и связки, что практически хоть и маловероят­ но, но может иметь место вследствие некоторой неодно­ родности массы круга.

Поэтому последующими предварительными опытами ставилась цель, во-первых, установить наиболее стабиль­ ный способ правки и, во-вторых, выяснить, в какой мере на производительность шлифования влияет диаметр изделия.

Анализируя результаты опытов [29 ] по выбору средств, обеспечивающих наиболее стабильную правку круга, можно сделать следующие выводы: а) при правке кругов карандашами типа ЦМ затупление алмазного зерна, его форма и изменение положения в оправке приводят к тому, что режущие свойства круга после разных правок значи­ тельно меняются; это явление может возникнуть и при работе с карандашами марки СС; б) карандаши типа НВМ могут быть рекомендованы по экономическим соображениям только для правки мелкозернистых кругов; в) наиболее стабильным по производительности правящим инстру­ ментом, обеспечивающим также достаточно высокую (хотя и меньшую, чем алмазные карандаши) производительность, следует признать абразив, поэтому в последующих экспе­

риментах была принята правка их абразивным инстру­ ментом.

Из опытов по влиянию диаметра детали на съем ме­ талла можно сделать следующие выводы: а) при постоян-

198

ном радиальном давлении образца на круг за равное время снимается равный объем металла независимо от диаметра шлифуемого образца; б) большое влияние на производи­ тельность шлифования оказывает создаваемый радиаль­ ный прижим; в) при постоянстве радиального прижима окружная скорость детали прямого влияния на произво­ дительность шлифования (оцениваемую по объемному минутному объему) не оказывает.

После проведения серии предварительных опытов и та­ рировки приспособления по радиальному прижиму были проведены эксперименты по исследованию производитель­ ности шлифования разных сталей. На приспособлении с грузом 2,5 кгс шлифовали образцы сталей 22 марок, химический состав которых, режимы термической обра­ ботки и структура приведены в табл. 6. Образцы стали каждой марки (см. рис. 34) имели исходный диаметр 60 мм и ширину 36 мм. Таким образом, радиальный прижим составлял 0,8 кгс на см ширины круга (так как ширина круга 40 мм и перекрывала ширину образца). Для шлифо-' вания применяли круг ПП350Х 40x127 3925С1К; ско­ рость круга 35 м/с; скорость детали 20 м/мин.

После правки круга на указанных выше режимах производили шлифование образца из стали одной марки 3 раза по 5 мин. После каждых 5 мин измеряли съем ме­ талла и определяли отшлифованный объем. Затем круг правили и опыт повторяли снова на стали той же марки,' но на другом образце одинакового исходного диаметра. Для стали каждой марки делали 3—5 повторений в зави­ симости от разброса опытных данных.

В табл. 15 приведены данные по сравнительной про-'

что по мере затупления круга (увеличения /3) съем металла для сталей всех марок уменьшается, а в табл. 16 приве­ дены средние за 15 мин шлифования значения удельного съема металла для стали каждой марки, там же для сравне­ ния приведены расчетные данные по обрабатываемости шлифованием разных сталей, выполненные по формуле. (30) для условий опыта шлифования.

При расчете сделано допущение, что температура остывания (в момент входа очередного зерна круга в ме­ талл) составляет 600° С для сталей всех марок по анало­ гии с данными, полученными расчетом для сталей семи марок— представителей разных групп. Шкала значе-

199

ний fly имеет масштаб, обеспечивающий получение сравни­ тельно близких по размеру опытных значений ау (на диа­ грамме) к экспериментальному удельному съему Q.

Т а б л и ц а 16

Расчетная толщина среза и экспериментальный средний удельный съем для сталей разных марок

Можно отметить достаточно удовлетворительное сов­ падение закономерности изменения относительной про­ изводительности шлифования, полученной расчетным пу­ тем, с данными эксперимента.

Для иллюстрации влияния факторов на степень обра­ батываемости разных сталей шлифованием, выдвинутых

200

в качестве определяющих в теоретических предпосылках работы, на рис. 83 приведены сравнительные пределы прочности сталей при температуре U = 20° С, интенсив­ ности напряжений при скорости деформации шлифованием в рассчитанном интервале температур металла в момент начала резания зернами круга, а также диаграмма сравне­ ния рассчитанных значений обрабатываемости по ау с экспериментальными данными по обрабатываемости

Рис. 83. Сравнение предела прочности разных сталей стВ20» и интенсив­ ности напряжений 0 /. (при температуре шлифования) с ПрОИЗВОДИ-

^ 'ш Л

тельностью обработки разных сталей шлифованием

тех же сталей. Для сравнения взяты стали семи марок, для которых была рассчитана температура.

Закономерность изменения предела прочности ав20• для сталей исследуемых марок совершенно не отражает закономерность экспериментальной и расчетной сравни­ тельной производительности шлифования этих сталей (рис. 83). В то же время интенсивность напряжений для разных сталей в диапазоне возможной температуры ме­ талла перед выходом в работу очередного зерна круга отражает закономерность изменения производительности, установленную опытным путем. Причем эта закономер­ ность прослеживается во всем диапазоне рассчитанной температуры остывания от 600 до 800° С (за исключением

201

сталей Р18 и Р9, кривые стг — U которых пересека-

£ 1 Ш Л

ются). Следовательно, при любой ошибке расчета темпе­ ратуры в этом диапазоне закономерность сравнительной

обрабатываемости совпадает с изменением стг. для раз­ вит

ных сталей.

Эти результаты, а также совпадение расчетных и экспе­ риментальных данных по сравнительной производитель­ ности шлифования сталей 16 марок свидетельствуют, что несмотря на ряд допущений и приближений, сделанных в расчетах напряжений и температуры шлифования, теоретические положения исследования отражают физи­ ческую связь между высокой температурой при шлифо­ вании металла, интенсивностью напряжений (зависящей от механических свойств разных сталей в температурноско­ ростном интервале деформаций шлифования), геометрией и степенью затупления зерна круга и относительной производительностью шлифования разных сталей.

Некоторые особенности влияния состава СОЖ и химического состава сталей

на производительность обычного и электрохимического шлифования

закономерностей изменения перечисленных показателей процесса обработки проводятся экспериментальные иссле­ дования по разработке многочисленных видов СОЖ и спо­ собов их использования на операциях шлифования [63].

Действие СОЖ может проявляться главным образом в двух направлениях при шлифовании. Во-первых, СОЖ могут влиять на изменение сил резания как за счет созда­ ния на поверхности металла жидкостных пленок той или иной вязкости в результате химико-окислительных про­ цессов (частично разрушающих поверхность металла), так и в результате изменения адгезионной способности металлов и коэффициента трения между зерном и метал­ лом. Во-вторых, СОЖ могут существенно изменять интен­ сивность затупления зерен круга в результате химико­ окислительных процессов на зернах круга, оказывая

202

этим существенное влияние на среднюю производитель­ ность шлифования за определенное время обработки и на время между правками.

Совместное влияние основных физико-химических свойств СОЖ (вязкости, плотности, адгезионной способ­ ности, химической активности к металлу и зерну) может вносить значительное изменение в соотношения танген­ циальных и радиальных сил резания. и активно влиять на съем металла. Это особенно показательно при шлифо­ вании с постоянным радиальным прижимом, когда эффек­ тивность разных СОЖ можно сравнить по величине удель­ ного съема металла за определенное время работы круга без правки. Остановимся на сравнении влияния на про­ изводительность шлифования двух видов СОЖ, наиболее различных по свойствам, которые находят применение в практике шлифования. Это— наиболее распространен­ ная содовая вода (смесь 1,5%-ного водного раствора каль­ цинированной соды и 1,5%-ного раствора нитрита натрия) и масло индустриальное-20.

Расчетная формула (51) предусматривает, что вся работа внешней силы резания затрачивается на деформи­ рование металла детали той или иной прочности и трение по площадке износа зерен. Так как водные растворы СОЖ, обычно применяемые при шлифовании, имеют небольшую вязкость пленки, то такое допущение (сделанное выше при расчетах) незначительно искажает реальную картину деформирования металла по контактным поверхностям.

Однако в особых условиях шлифования (например, при поливе детали водными растворами эмульсолов, маслами или при образовании на поверхности детали анодных пленок окислов и гидратов окисей в процессе электрохимического шлифования) работа внешних сил

или образовавшихся при электрохимическом шлифовании анодных пленок. При этом общий съем металла при по­ стоянной силе шлифования может измениться как в сто­ рону уменьшения, так и в сторону увеличения.

Например, образование анодных пленок на поверх­ ности детали, особенно в тех случаях, когда ее толщина соизмерима с толщиной срезов от единичных зерен, при­ ведет к увеличению съема, так как сопротивление анод­ ной пленки разрушению меньше, чем обрабатываемого металла. В противоположность этому при охлаждении

203

детали маслом можно ожидать снижения общего съема металла, так как часть внешней силы будет затрачиваться на разрушение вязкой масляной пленки, сопротивление которой особенно сильно возрастает при скоростных нагружениях. И хотя коэффициент трения при исполь­ зовании масла уменьшится по сравнению с водными СОЖ и, следовательно, уменьшится составляющая Рг (что учтено в формуле (50), глубина внедрения зерен в металл уменьшится.

Чем прочнее масляная пленка и ее связь с металлом (например, высокая адгезионная способность полярных растительных масел), тем большая доля внешних сил будет расходоваться на ее разрушение и меньшая доля оставаться непосредственно на деформацию металла.

- Поэтому сила Ру, входящая в расчетную формулу, является внешней силой в условиях работы с содовой водой, без учета изменения характера и вязкости смазки. Расчет относительной производительности по предложен­ ной формуле при применении разных масел потребует дополнительного учета сопротивления масляных пленок разрушению.

Так, в соответствии с формулой Релея сопротивление масляного клина (несущая способность или сила в напра­

По очень приблизительным подсчетам сопротивление масляного клина может составить для принятых величин порядка 80 гс на одно скользящее (без резания) в масля­ ной среде зерно. Учитывая разновысотность зерен, можно допустить, что на одно режущее зерно (8— 10% от всех зерен на поверхности круга) приходится в толщине масля­

204

режущего зерна, для которого по расчетной формуле (51) определяется толщина среза ау, приходится меньшая величина внешней нагрузки на 400 гс (80 X 5), а с учетом длины режущей кромки в 1 мм (для которой выведена расчетная формула) на преодоление сопротивления масля­ ной пленки скользящими зернами может быть затрачено W 4 кгс. При внешнем нагружении единичного режу­ щего зерна радиальной силой Ру = 10 кгс (на 1 мм режу­ щей кромки) на непосредственное деформирование ме­ талла и срезание стружки останется

Ру = Ру — W’ ^ 6 кгс.

Таким образом, сила Ру, входящая в расчетную фор­ мулу, связана только с деформацией металла и является разницей между внешней силой и силой, связанной с ра­ ботой разрушения различных поверхностных пленок.

Проверочные эксперименты по определению съема ме­ талла при использовании различных СОЖ были выпол­ нены на установке, позволяющей производить круглое наружное шлифование с постоянной силой радиального прижима образца к шлифовальному кругу (см. рис. 81).

В табл. 17 указано относительное изменение произ­ водительности шлифования сталей ряда марок при охлаж­ дении поливом двумя жидкостями —•содовой водой и индустриальным маслом (круг 3940СТ1К, vK= 30 м/с, уд=20 м/мин, Ру= 1,64 кгс/см ширины круга). Из таблицы следует, что съем металла при применении масла суще­ ственно уменьшается. При этом порядок изменения отно­ сительной обрабатываемости сталей сохраняется одним и тем же для любой из испытанных СОЖМеньшая эк­ спериментальная разница в обрабатываемости разных сталей при использовании масла подтверждается и рас­ четной формулой, по которой с уменьшением силы Ру, деформирующей металл (например, в результате наличия масляных пленок), уменьшается разница в теоретичес­ ких съемах для разных сталей (наклон кривой на рис. 32).

Для установления влияния разных СОЖ на степень затупления зерен круга проводили следующие опыты. При высоте круга 40 мм высота образца была 11 мм, что позволяло производить два-три сравнительных опыта при одной правке шлифовального круга, исключающей влия­ ние ее на съем металла.

Сравнивая характер изменения удельного съема (табл. 18) при шлифовании сталей Р18 и Р9, можно иметь

205

Т а б л и ц а 17

Удельный съем металла Q в мм3/мин ■кгс при различных СОЖ

(круг Э940СТ1К)

представление о степени затупления зерен и работоспо­ собности шлифовального круга при использовании раз­ ных видов СОЖ- В течение 15—20 мин работы круга из­ менялся состав жидкости. Анализируя полученные дан­ ные, можно отметить, что при высокой смазочной способ­ ности масла износ и уменьшение режущей способности

206

шлифовального круга происходят в меньшей мере, чем при водных растворах СОЖОднако общий удельный съем металла при работе с маслом значительно ниже, чем при водных СОЖ-

Таким образом, снижение удельного съема во многом зависит от способности вязких жидкостей образовать на обрабатываемой поверхности трудноразрушимые пленки, обладающие высоким динамическим сопротивлением при высоких скоростях шлифования, что приводит к сниже­ нию доли полезной работы абразивного зерна по удале­ нию основного металла. Кроме того, высокая экранирую­ щая способность масляных пленок препятствует течению окислительных реакций на металлических поверхностях как в зоне резания, так и вне ее, снижая активность хи­ мико-термического взаимодействия абразивного и обра­ батываемого материалов.

Наличие окисных пленок на обрабатываемой поверх­ ности может привести к быстрой потере режущей способ­ ности абразивного инструмента особенно при высокой температуре в зоне контакта зерна с металлом.

Окислительные процессы на обрабатываемой поверх­ ности стимулируются не только высокой температурой, которая при шлифовании может достигать температуры плавления обрабатываемого материала, но и обилием парогазовой смеси. Кроме того, при трении абразивных зерен по металлу возникает термо-э.д.с. с положительным потенциалом до 1 В на обрабатываемой поверхности, а на­ личие электропроводных СОЖ вызывает электрохимиче­ ские анодные окислительные процессы по всей обрабаты­ ваемой поверхности. Скорость окислительных процессов усиливается при подаче СОЖ в виде воздушно-жидкост­ ной смеси, в которой частицы распыленной жидкости имеют высокий электрический потенциал. Многие исследователи отмечают повышенный износ шлифовальных кругов при подаче распыленной СОЖ в зону резания шлифовального круга. Однако, если струя направляется на шлифоваль­ ный круг с противоположной стороны от зоны резания и исключается попадание электризованных частиц на обра­ батываемую поверхность детали, то износ зерен круга снижается.

Элементы, находящиеся в железоуглеродистых и дру­ гих сплавах, могут образовать окислы и другие химиче­ ские соединения, имеющие различную химическую ак­ тивность к электрокорунду. Следовательно, интенсив-

207