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

ность затупления зерен электрокорунда при шлифова­ нии разных сплавов может существенно различаться. Но даже быстрая потеря режущей способности шлифо­ вального круга может быть перекрыта высоким удельным съемом при шлифовании сталей некоторых марок вслед­ ствие частичного электрохимического растворения обра­ батываемой поверхности. Это находит свое отражение при использовании комбинированных способов электро­ химического шлифования, когда, кроме полива жидкостью, производится дополнительное электрохимическое воздей­ ствие на поверхность детали вне зоны шлифования с по­ мощью электродов, частично охватывающих деталь. При этом СОЖ начинает одновременно выполнять роль элек­ тролита, активно участвуя в окислительных реакциях анодного растворения металла. Следовательно, если, шли­ фуя с постоянным радиальным прижимом, принудительно окислять обрабатываемую поверхность образца вне зоны резания при одновременном поливе зоны резания водным раствором, то можно проследить изменение удельного съема металла и износа шлифовального круга.

Сравнительный удельный съем металла при обычном поливе зоны резания водным раствором и с использова­ нием комбинированной схемы электрохимического шли­ фования с применением в качестве электролита того же водного раствора показан в табл. 19.

При высоком удельном съеме металла при электро­ химическом шлифовании наблюдается снижение режущей способности шлифовального круга. Эти результаты полу­ чены при достаточно высокой скорости анодного раство­ рения, когда толщина пленки соизмерима с толщиной

208

среза от единичных абразивных зерен. В. случае малых съемов (что наблюдается для сталей ряда марок), когда приращение удельного съема практически отсутствует, окислые пленки участвуют в химико-термических про­ цессах, способствуя более быстрой потере режущей спо­ собности шлифовального круга, и электрохимическое шли­ фование становится менее эффективным (рис. 84).

О 10 20 О 10 20 0 10 20 0 1020 010 20 0 1020 010 20 0 1020 010 20 0 10 20

Время работы круга без правки в минуту

Рис. 84. Сравнение производительности обычного и электрохимиче­ ского шлифования разных сталей

Анализ диаграмм, приведенных на рис. 84, показы­ вает, что присутствие в химическом составе сплава таких легирующих элементов, как вольфрам, ванадий и титан (стали Х20Н80ТЗ, Р18, Р9), в большей степени увели­ чивает съем металла при электрохимическом шлифова­ нии. Однако на ряде материалов (стали 17СГ2Ф, 35Х2ГС2) съем при электрохимическом шлифовании уменьшился или остался одинаковым со съемом при шлифовании без тока. Очевидно, вследствие химико-термического взаимо­ действия окислов ряда легирующих элементов с электро­ корундом зерен круга последние более интенсивно изна­ шиваются при электрохимическом шлифовании. Просле­ живается определенная зависимость снижения произ­ водительности при электрохимическом шлифовании по сравнению с обычным при наличии в обрабатываемых сплавах кремния и марганца.

Для установления степени затупления зерен электро­ корунда при электрохимическом шлифовании разных сталей технологический ток отключался на последнем периоде шлифования (от 15 до 20 мин). На всех сталях (кроме стали Х20Н80ТЗ) наблюдается снижение в той или иной мере съема металла за этот период при электро­ химическом шлифовании по сравнению со съемом при обычном шлифовании. Для сплава Х20Н80ТЗ режущая способность шлифовального круга при электрохимичес­ ком шлифовании по окисленной поверхности остается до­ статочно высокой долгое время, а съем металла сущест­ венно больше, чем при обычном шлифовании.

Следовательно, при оценке влияния СОЖ на процесс шлифования необходимо учитывать эффективность дей­ ствия жидкости в двух направлениях — увеличение удель­ ного съема и изменение режущей способности шлифоваль­ ного круга (затупленность зерен).

При шлифовании с маслом снижается съем металла. Это связано с большим сопротивлением разрушению мас­ ляной пленки, уменьшающим силу, приходящуюся не­ посредственно на резание металла. Экранизация масля­ ными пленками обрабатываемой поверхности исключает возможность образования окисных слоев, которые, участвуя в химико-термических реакциях между абра­ зивным и обрабатываемым материалами, снижают режу­ щие свойства шлифовальных кругов для сталей некото­ рых марок. Электрохимическое шлифование оказывается эффективным и высокопроизводительным по съему ме­ талла в том случае, если анодное растворение преобла­ дает над активностью химико-термических реакций, раз­ рушающих абразив.

При обычном шлифовании, как и при электрохимичес­ ком, на интенсивность затупления зерен оказывают вли­ яние химические элементы, входящие в состав сталей и СОЖ. Только окислительные процессы на поверхности зерен при обычном шлифовании протекают медленнее, чем при электрохимическом.

Если затупление зерен круга происходит в результате активного окислительно-диффузионного воздействия опре­ деленных химических элементов, входящих в состав сплавов, снизить это действие можно, применяя специаль­

210

бом, пропиткой кругов). Такие присадки должны содер­ жать химические элементы, более активно реагирующие с окислами металлов, разрушающих зерно, чем материал зерна, и тем самым связывать эти окислы и нейтрализо­ вать их вредное влияние на зерна круга.

Влияние характеристики кругов и режимов обработки на производительность

и качество шлифования

Для практического использования рассчитанных по формуле (30) данных по различной производительности шлифования сталей разных марок в различных техноло­ гических условиях необходима экспериментальная про­ верка расчетных данных в практическом диапазоне из­ менения характеристики кругов и режимов шлифования. Тем более, что расчеты производились с рядом допуще­ ний, полагающих, что зерна неподвижно закреплены в круге ( т. е. не происходит осыпания или самозатачи­ вания круга), а их затупление ограничено определенными величинами.

Однако в реальных процессах шлифования приме­ няются круги самых различных характеристик (зерни­ стостей, твердостей, структур) на различных режимах шлифования, т. е. с различным радиальным прижимом (подачей и глубиной резания), на различных скоростях круга и детали.

В связи с этим в зависимости от изменения характе­ ристики круга может существенно изменяться диапазон изменения расчетных параметров в формуле (30) — ко­ личество зерен в зоне контакта, размеры площадок затуп­ ления /3, радиальная сила Ру, приходящаяся на одно зерно. Кроме того, от действия этих изменяющихся фак­ торов может существенно измениться поведение круга в работе (появиться самозатачивание) и показатели эф­ фективности и качества обработки (точность и шерохо­

по определению изменения производительности и каче­ ства шлифования в зависимости от изменения характери­ стики кругов и режимов шлифования в их практическом

211

вающие изменение основных показателей эффективности шлифования в зависимости от обрабатываемой стали, характеристики круга и режима шлифования. По этим данным окажется возможным выбрать оптимальные круг и режимы шлифования для конкретных технологических условий.

Оценку стойкости и общего расхода кругов произво­ дили по объемному износу и по времени работы кругов до определенного возрастания амплитуд колебаний, в связи с их влиянием на огранку детали, чистоту обра­ ботки и нормальный ход процесса шлифования.

Оценка эффективности работы того или иного круга при различных условиях шлифования осуществлялась комплексно с учетом всех перечисленных факторов.

Влияние твердости кругов на эффективность скорост­ ного и обычного шлифования разных сталей. Исследова­ ние работы кругов разной твердости при скоростном и обычном шлифовании осуществлялось на приспособле­ нии (см. рис. 81) с постоянной радиальной силой 6 кгс (ширина круга 40 мм, длина образца 36 мм, удельная ра­ диальная сила ~ 1,7 кгс/см) при обработке сталей 45, БОГ, 20ХНЗА и ЗЗХГС. Были выбраны стали разного хими­ ческого состава, имеющие большую разницу в обрабаты­ ваемости и широко применяющиеся в производстве. Об­ разцы стали каждой марки имели диаметр 62—70 мм и подвергались термической обработке по режимам закалки и нормализации, соответствующим техническим условиям (сталь 20ХНЗА проходила только нормализацию).

Характер термической обработки (закалка и норма­ лизация) определял наибольшую разницу в структуре и в механических свойствах (главным образом в твердости) шлифуемых сталей. Сравнивалась эффективность шли­ фования при работе скоростными кругами из белого электрокорунда, зернистости 50, трех разных степеней твердости СМ2, С1 и СТ1 (связка керамическая). Приня­ тые для исследования твердости кругов находят наиболь­ шее применение в практике шлифования. Твердость кру­ гов оценивали по фактической глубине лунки, измерен­ ной на пескоструйном приборе «Калибр». Для опытов были отобраны круги, имеющие фактические глубины лунок, лежащие в середине диапазона для каждой степени твердости. Для этой серии опытов были приняты следую­

щие условия: скорости детали 30 м/мин, скорости круга

35 и 50 м/с.

212

Шлифование стали каждой марки продолжалось без правки круга 100 мин. Через каждые 10 мин беспрерыв­ ного шлифования образец отводили от круга и измеряли все необходимое (съем металла, износ круга, чистоту обработки).

Учитывая, что в условиях производства стойкость кру­ гов составляет от 10 до 40 мин в зависимости от предъяв­ ляемых требований к детали и условий шлифования, показатели процесса шлифования в одних условиях брали за 20 мин работы, а в других, когда стойкость круга поз-

Рис. 85. Характер изменения съема металла Q в зависимости от вре­ мени работы Т кругов без правки:

а — ЭБ50СМ2К; б — ЭБ50С1К; в — ЭБ50СТ1 К; 1 — v = 5 0 м/с; 2 — v ~ = 35 м/с К

воляла продолжать процесс шлифования, — за 100 мин работы.

На рис. 85 приведен характер изменения интенсив­ ности съема металла при скоростном и обычном шлифо­ вании нормализованной стали 45. Съем металла выражен через коэффициент режущей способности круга Qcp, ко­ торый равен объемному минутному съему металла в мм3 на 1 кгс радиальной силы. Съем в первые минуты шлифо­ вания различен для кругов разной твердости — наиболь­ ший для СМ2 и наименьший для СТ1. Круг твердости СМ2 быстро теряет режущие свойства, круги С1 и СТ1 медленнее. Шероховатость поверхности по мере шлифо­ вания увеличивается. Значительно влияют на шерохо­ ватость поверхности вибрации (дробление). Шероховатость поверхности выше при обработке стали мягкими кругами и ниже при обработке твердыми.

2 1 3

Косвенная оценка затупления круга дается в резуль­ тате сравнения десятиминутного съема металла в конце работы с десятиминутным съемом металла в начале работы.

Опыты показали, что при скоростном шлифовании, как и при обычном, мягкие круги затупляются быстрее, твердые — медленнее; наибольшую режущую способ­ ность и наибольшую шероховатость поверхности дают мягкие круги; по мере увеличения твердости кругов уменьшается съем металла и шероховатость поверхности; характер изменения съема металла, шероховатости по­ верхности и относительного затупления кругов разной твердости одинаков как для скоростного, так и для обыч­ ного шлифования. Рассматривая влияние скорости круга на показатели процесса шлифования, можно отметить, что интенсивность съема маталла при скоростном шли­ фовании стали 45 в нормализованном состоянии почти в 2 раза больше (на 80%), чем при обычном для кругов твердости СМ2, С1 и СТ1; высота микронеровностей при скоростном шлифовании несколько больше (на 1—2 раз­ ряда), чем при обычном шлифовании, что объясняется увеличенным (почти в 2 раза) съемом металла.

Примерно такой же характер изменения съема металла и шероховатости поверхности по мере затупления круга наблюдается и при шлифовании образцов из сталей всех марок.

В табл. 20 показаны изменения режущей способности кругов Q за 20 мин работы при обычном и скоростном шли­ фовании сталей кругами твердости СМ2 Cl, СТ1. Для шлифования при скорости круга 35 м/с Q изменяется для кругов всех твердостей от 100 до 130 в зависимости от марки сталей и твердости круга. Для скорости круга 50 м/с Q = 100ч-250 и в большей мере зависит от обраба­ тываемости стали и твердости круга. При этом значение Q уменьшается с ухудшением обрабатываемости сталей. Максимальное значение соответствует кругу твердости С1.

Из результатов экспериментов видно, что увеличе­ ние производительности при скоростном шлифовании по сравнению с обычным различно для сталей разных марок. При скоростном шлифовании достигается наибольший съем металла при обработке всеми кругами углеродистой стали 45 в нормализованном и закаленном состоянии. Для этой стали съем при скорости круга 50 м/с возрос в среднем для всех кругов на 80— 110%. Несколько меньшее увеличение съема (на 50—60%) наблюдается при скоро-

214

Т а б л и ц а 20

Удельный съем металла Q

при различной скорости круга в мм3/кгс-мин

стном шлифовании закаленной и нормализованной стали 50Г. При скоростном шлифовании высоколегированной стали ЗЗХГС наблюдается незначительное увеличение съема (лишь на 20% для круга ЭБ50СМ2Ки 40% для круга ЭБ50С1К). При обработке этой стали кругом твердости СТ1 съем металла при икр = 50 м/с даже уменьшился, работа сопровождалась появлением заметных ожогов. Поэтому перевод шлифовальных операций, где обраба­ тываются твердыми кругами стали типа ЗЗХГС (38ХМЮА, ЗЗХГТ), на скоростные режимы должен сопровождаться заменой круга на более мягкий.

При сравнительной оценке работы кругов разной твердости на обычных (35 м/с) и скоростных режимах 50 м/с) наибольшую среднюю производительность при шлифовании сталей всех марок имеет круг твердости С1. Круг твердости СМ2, имеющий самую высокую произ­ водительность, по мере шлифования быстро теряет режу­ щую способность. Это падение режущей способности

вмалой степени проявлялось при шлифовании стали 45 и по мере ухудшения обрабатываемости сталей все более увеличивалось. Круг твердости С1 при обработке всех сталей давал равномерное снижение режущей способности. Круг твердости СТ1 почти не терял режущей способности

впроцессе шлифования, но эта способность у него гораздо ниже, чем у кругов с мягкой связкой. Это объясняется

215

тем, что у твердых кругов часть абразивных зерен замещена связкой и по сравнению с более мягкими кругами содержание зерна в них меньше, а связки больше.

Из табл. 20 следует, что съем металла весьма значи­ тельно изменяется при обработке образцов из сталей разных марок и в меньшей мере изменяется при переходе с нормализованной на закаленную сталь, причем, если при работе кругами твердости СМ2 и С1 наблюдается не­ которое незначительное снижение съема при переходе от нормализованных к закаленным сталям, то при работе кругом твердости СТ1 влияние физико-механических свойств сталей в исходном состоянии (нормализованных и закаленных) совершенно не проявляется. Эти резуль­

Экспериментальные исследования показали, что при переходе на скоростное шлифование съем металла воз­ растает в среднем от 40 до 100% в зависимости от марки и химического состава стали и твердости круга. Скоро­ стное шлифование легированных сталей малоэффективно, а в отдельных случаях при обработке сталей типа ЗЗХГС твердыми кругами (СТ1 и тверже) нецелесообразно.

На производительность шлифования влияет способ­ ность круга длительное время после правки сохранять режущие свойства. Интенсивность затупления кругов разной твердости различна (см. рис. 85). Интенсивность затупления возрастает с увеличением твердости кругов

иухудшением обрабатываемости сталей. Шероховатость прошлифованных образцов измерялась

через каждые 10 мин на профилометре Аббота.

В табл. 21 приведены средние значения (по двум из­ мерениям) шероховатости поверхности образцов, про­ шлифованных кругами различной твердости при разных скоростях круга, показывающие, что микронеровности находятся в сложной зависимости от скорости и твер­ дости круга, интенсивности съема металла и марки стали. Шероховатость поверхности при прочих постоянных фак­ торах тем выше, чем меньше скорость круга. Чем больше интенсивность съема металла, тем больше шероховатость поверхности. С ухудшением обрабатываемости сталей и при работе мягкими кругами шероховатость поверхности увеличивается.

216

Т а б л и ц а 21

Шероховатость поверхности Ra в мкм (средняя за 20 мин работы) при шлифовании кругами

различной твердости и при различной скорости резания в м/с

С увеличением скорости вращения шпинделя шлифо­ вального круга увеличивается и мощность, потребляемая электродвигателем станка.

При переходе на шлифование со скоростью круга 50 м/с увеличивается только мощность холостого хода. Эффек­ тивная мощность находится в прямой зависимости от интенсивности съема металла.

Однако рост эффективности мощности при переходе на скоростное шлифование отстает от роста производи­ тельности. Так, если при скоростном шлифовании съем металла увеличивается на 40— 100% по сравнению с обыч­ ным шлифованием, то эффективная мощность возрастает на 20—30%. В связи с этим удельный расход электроэнер­ гии (расход электроэнергии в кВт-ч на съем 1 см3 металла)

энергии как для скоростного, так и для обычного шлифо­ вания зависит от обрабатываемости стали и твердости круга: чем хуже обрабатываемость стали и выше твер­ дость круга, тем больше удельный расход электроэнергии.

Правка круга вызывается уменьшением его режущей способности, которая зависит от различных причин, в том числе от притупления абразивных зерен (т. е. образова­ ния на них площадок износа) и от осыпания зерен с ра­ бочей поверхности круга. Последнее обстоятельство при-

217