Схеми і особливості процесу різання при шліфуванні

ЛЕКЦІЯ 22. Схеми і особливості процесу різання при шліфуванні

22.1 Кінематика шліфування.

Процес різання при шліфуванні виконується шліфувальним кругом, який рівномірно обертається з постійною швидкістю, а до його робочої поверхні підводиться оброблювана поверхня деталі. Шліфувальні круги в залежності від якості абразиву мають окружну швидкість Vк біля 30 м/с з можливим відхиленням при шліфуванні твердих сплавів до 8-16 м/с і при швидкісному шліфуванні 50-75 м/с (є дослідження оброблення з швидкістю до 150-200 м/с). Підвищення швидкості круга обмежується тільки його міцністю і підшипниковим вузлом верстата і завжди бажане, тому що сприяє підвищенню продуктивності оброблення.

На приведених схемах круглого зовнішнього (рис. 22.1, а), внутрішнього (рис. 22.1, б) і плоского шліфування (рис. 22.1, в) круг обертається з постійною швидкістю Vк, м/с, а оброблювана поверхня подається з певною швидкістю Vд, м/хв, для рівномірного видалення шару глибиною t. При шліфуванні в загальному випадку є три види переміщень оброблюваної поверхні:

• переміщення в тангенційному напрямку по відношенню до робочої поверхні круга. При круглому зовнішньому і внутрішньому шліфуванні воно зветься окружною швидкістю деталі Vд, м/хв, а при плоскому – швидкістю поздовжнього переміщення столу, Vс, м/хв;
• переміщення в напрямку, паралельному осі обертання оброблюваної заготовки при круглому шліфуванні і в площині обробленої поверхні паралельно осі круга при плоскому шліфуванні. Ці переміщення називають поздовжньою подачею Sпр, при круглому шліфуванні і поперечною Sп – при плоскому. Подачі задають в долях від висоти круга Bк:

Sпр = к Bк, мм/об – при круглому шліфуванні,

к = 0,4-0,8;Sп = к Bк, мм/хід – при плоскому шліфуванні, к = 0,8-0,9;

• переміщення в напрямку, перпендикулярному до оброблюваної поверхні. На шліфувальних верстатах цей рух є переривчастим і при круглому шліфуванні називається поперечною подачею Sпоп. Задається в мм/прохід або мм/подвійний прохід. При круглому шліфуванні без поздовжньої подачі Sпоп задається в мм/об заготовки. При плоскому шліфуванні це переміщення називається вертикальною подачею Sв і задається в мм/прохід.

Процес різання при шліфуванні супроводжується загальними явищами, які присутні і в інших видах оброблення, але він має і специфічні особливості:

• шліфувальний круг має переривчасту різальну кромку, тому що абразивні зерні відстоять друг від друга на деякій відстані;

• зерна шліфувального круга мають різні розміри, невизначену геометричну форму і будь-як розташовані в крузі, що обумовлює непостійне значення переднього кута, який має, як правило, негативне значення;
• в ряді випадків спостерігається вплив товщини на ширину одиночного зрізу за рахунок пірамідальної і округленої форми різальної частини зерна;
• під час роботи круг може самозагострюватись, оголюючи нові гострі зерна, які й будуть продовжувати різання;
• процес зрізання стружки проходить за дуже короткий проміжок часу: 1·10–4 - 5·10–5 секунди.

Всі ці особливості утворюють великі труднощі як при теоретичному, так і при експериментальному дослідженню процесу шліфування, потребують використання методів математичної статистики і теорії ймовірності .

22.2 Різальні елементи робочої поверхні круга,

їх кількість і геометрія

Будь-яке абразивне зерно має передню поверхню, по якій сходить стружка, і задню поверхню, що повернута до обробленої поверхні (рис. 22.2).

За рахунок радіусу округлення і наявності виступів передні кути мають перемінне значення.

В теоретичних дослідженнях реальна форма абразивного зерна замінюється моделями, які мають визначену геометричну форму – кулі; конуса з загостреною, закругленою або зрізаною вершиною; циліндра, призми або їх сукупностей; еліпсоїду обертання і таке інше. Вибір моделі визначається задачами дослідження, а параметри моделі знаходяться з допомогою експерименту з наступним обробленням результатів методами математичної статистики.

Кількість зерен на 1 мм2 поверхні і відстань між ними в перетині круга площиною може бути розрахована, виходячи із структури круга і припущення, що зерна мають однаковий розмір, кулеподібну форму і знаходяться на однаковій відстані друг від друга.

Виділимо із круга одиницю об’єму, що дорівнює 1см3. Тоді

l·z = 10 мм; z = 10/l,

кількість зерен в 1 см3 круга

M = z3 = (10/l)3 = 1000/l,

звідки

.

З іншої сторони, кількість абразивних зерен в 1 см3 дорівнює кількості зерен n в 1 г абразивного порошку, помноженій на масу зерен в 1 см3 круга q, тоді

.

Маса абразивних зерен в 1 см3 круга

,

де N – номер структури;

п – щільність абразиву.

Остаточно будемо мати

.

Кількість зерен на робочій поверхні круга

Zп = 1/l2.

Внаслідок різновисотності зерен (рис. 21.3) не всі зерна, що там знаходяться, будуть різальними. При визначенні кількості активних (різальних) зерен на робочій поверхні круга необхідно враховувати закон розподілу вершин зерен по висоті відносно самого виступаючого із зв’язки зерна.

Ці закони знаходяться експериментально або приймаються з обґрунтованих міркувань. В теорії шліфування знайшли розповсюдження наступні закони: нормальний, Релея, гама-розподіл, бета-розподіл, логарифмічно-нормальний, Вейбула та інші. Тоді

Zр = Zп F(tф),

де F(tф) – функція розподілу різновисотності вершин зерен.

Геометричні параметри різальних виступів зерен знаходять за залежностями, здобутими математичним обробленням експериментальних даних. Ці залежності наведені в технічній літературі, присвяченій обробленню шліфуванням.

22.3 Параметри одиночного зрізу при шліфуванні

Одиночний зріз при шліфуванні формується ділянками траєкторій зерен, які послідовно контактують в одній площині з оброблюваним матеріалом. Дійсні траєкторії руху вершини абразивного зерна відносно деталі при внутрішньому і круглому зовнішньому шліфуванні з безперервними поздовжньою і дискретною поперечною подачами являють собою подовжені епіциклічні криві (гвинтові епітрохоїди) при обертанні деталі і круга в протилежних напрямках і подовжені гіпоциклічні гвинтові криві (гвинтові гіпотрохоїди) – при обертанні в одному напрямку. Траєкторією руху вершини абразивного зерна незалежно від напрямку векторів швидкості круга і деталі при плоскому шліфуванні є трохоїда. Але, для спрощення розрахунків, широко використовують і спрощені траєкторії – кола, при цьому похибка розрахунків не перевищує 3-5 %.

Для того, щоб зрозуміти процес зрізання матеріалу при шліфуванні, розглянемо шліфувальний круг в вигляді моделі, яка складається із набору перетинів круга площиною, що перпендикулярна осі круга. Ці перетини статистично рівнозначні, а зерна в них орієнтовані випадково. В зв’язку з тим, що в кожному із перетинів площиною, перпендикулярною осі круга, робота зерен може бути представлена роботою одного із перетинів з статистично рівнозначними результатами, прослідкуємо за роботою окремих різальних зерен в одному перетині, розповсюдивши потім ці результати на роботу всього круга.

В площині, перпендикулярній осі круга, одиночний зріз характеризується формою, довжиною дуги контакту, товщиною зрізу. Для комоподібної форми зрізу (рис. 22.4) довжина дуги CE2, товщина зрізу BD, яка змінюється від нуля до amax.

Розглянемо роботу послідовно розташованих одне за одним зерен на відстані l і рівновіддалених від центру круга. Приймемо, що траєкторією руху замість трохоїди буде коло. Довжина дуги контакту буде дорівнювати

CE2 = BE1 = Rк·к;

cos·к = (Rк – t)/ Rк = 1 – t/ Rк;

sin2 к = 1 – cos2·к = 1 – [1 – 2 t/ Rк + (t/ Rк)2] = 2 t/ R.

Величиною (t/ Rк)2 знехтуємо за малістю, тому що при шліфуванні глибина різання t не перевищує 0,02-0,04 мм.

Оскільки к при шліфуванні не перевищує 3-5, sin к = к, рад. Звідси

sin к = к = ,

а довжина дуги контакту

L = Rк.

Максимальна товщина зрізу

amax = BD = Rк – Oк2B.

Oк2B знайдемо із трикутника Oк2 Oк1 B.

Якщо відстань між контактуючими зернами становить l, то Oк2 Oк1 дорівнює . Тоді

=

==

=.

Остаточно

.

Похибка розрахунків за цією формулою не перевищує 2 % при будь-якій відстані між контактуючими зернами, в межах яких існує комоподібна форма зрізу.

При певних значеннях t, l і Vд /60Vк можуть з’являтися і інші форми одиночного зрізу: проміжна і сегментоподібна (рис. 22.5). У проміжної форми зрізу максимальна товщина дорівнює глибині різання (amax = t), а довжина дуги контакту більша, ніж у комоподібної і менша, ніж у сегментоподібної (L < Lп < Lс). В сегментоподібної форми зрізу максимальна товщина зрізу дорівнює глибині різання (amax = t), а довжина дуги контакту в два рази перевищує довжину дуги контакту комоподібної форми зрізу (Lс = 2 L).

Ширина одиночного зрізу зв’язана з товщиною зрізу і для моделі різального виступу зерна в вигляді конуса з округленою вершиною може бути знайдена за формулою

,

де bz1 – ширина зрізу для деякої точки m, мкм;

– радіус округлення різального виступу зерна, мкм;

m – кут профілю, град;

az, az1 – глибини перерізу, які відповідають сегментоподібній ділянці профілю і точки, що розглядається, мкм.

Роботу всього шліфувального круга можна оцінити середнім миттєвим перетином шару, що видалений всіма абразивними зернами.

Об’єм металу, який видаляється за хвилину усіма зернами при круглому зовнішньому шліфуванні, дорівнює

W = d nд tф Sпр, мм3/хв,

де tф – середня фактична глибина різання за один прохід;

Sпр – поздовжня подача на один оберт деталі.

Довжина абразивної поверхні, яка була в роботі на протязі 1 хвилини

Lабр = 60 D nкр, мм/хв.

Звідси середній миттєвий перетин шару, що видалений усіма абразивними зернами без урахування переривчастості різальної поверхні

.

22.4 Сили, що діють при шліфуванні

В процесі шліфування на деталь діє сумарна сила P, яку можна розглядати як рівнодіючу трьох складових: Pz – тангенціальної, Py – радіальної, Px – осьової (рис. 22.6).

Ці складові характеризують розрахункові сили для визначення необхідних в процесі шліфування:

• потужності на шпинделі круга і деталі (Pz);
• жорсткості системи ВПІД (Py);
• потужності механізму подачі (Px).

За рахунок наявності негативних кутів у різальних зерен та участі в різанні зв’язки при шліфуванні Py більша Pz в 1,5-4 рази. Величина складової Px значно менша Pz.

Для визначення складової Pz використовуються формули, які отримані обробленням експериментальних даних, а також аналітичні формули. Наприклад,

Pz = Cp Vдzp Sпрyp txp, Н.

Потужність різання при шліфуванні

N = PzVк /1000, кВт.

22.5 Теплові явища при шліфуванні

При високих швидкостях шліфування, наявності тупих кутів у різальних зерен спостерігаються значні пружні деформації стружки і обробленої поверхні, шкрябання, зовнішнє тертя. Все це обумовлює теплові явища, які характеризуються миттєвою швидкістю нагрівання зони різання, утворенням теплового поля значної глибини, виникненню високої температури (до 1400 С) і швидким охолодженням в глибину обробленого матеріалу. Теплові явища призводять до зміни фізичного стану металу на певну глибину, виникненню підпалин, і залишкових напружень різних знаків, появі тріщин, що може сприяти підвищенню терміну служби деталей машин або, навпаки, скорочувати його.

Дослідження показали, що теплота, утворена при шліфуванні, поглинається в основному обробленою деталлю (69-84 %), абразивним кругом (11-13 %), і менш всього – стружкою (до 8 %), на відміну від оброблення лезовим інструментом.

22.6 Зношування і правка абразивного інструменту

Під час шліфування зерна абразивних матеріалів зношуються і круг втрачає свою різальну здатність.

На зменшення різальної здатності поряд із зносом зерен, яке може протікати в вигляді абразивного, адгезійного і дифузійного зношування, впливає також і заповнення простору між зернами відходами шліфування – засалювання робочої поверхні. Зношений і засалений круг перестає різати і для відновлення його різальної здатності необхідна правка. При правці поряд з вилученням затуплених зерен і відходів шліфування відновлюється і правильна геометрична форма круга.

За критерій зносу круга приймається технологічний критерій – поява на обробленій поверхні хвиль високої частоти, підпалин, погіршення параметрів шорсткості обробленої поверхні, погіршення точності форми деталі.

За період стійкості круга досить часто приймають не час роботи круга від правки до правки, а кількість оброблених деталей або поверхонь.

Незважаючи на те, що при правильному підборі характеристик круга і режимів оброблення можливо досягти “самозагострювання”, коли зерна, які затупилися, вириваються або руйнуються, оголюючи гострі зерна, на практиці частіше зустрічаються умови, коли шліфувальний круг по мірі його зношування необхідно правити примусово.

Існує два методи правки абразивного інструменту: алмазна і безалмазна.

При алмазній правці в якості інструмента для правки використовують алмазні олівці або алмазні ролики.

При безалмазній правці в якості інструмента для правки використовують монолітні твердосплавні диски із сплавів ВК3М, ВК6М, диски із зерен твердого сплаву, які зцементовані латунню, металічні диски і зірочки, абразивні диски. Безалмазна правка виконується двома методами:

• обкатуванням, коли інструмент для правки обертається від шліфувального круга завдяки силам тертя;
• шліфуванням, коли інструмент для правки обертається від спеціального приводу.

Для правки алмазних кругів на металевій зв’язці відомі методи правки абразивних кругів не придатні. Для них найшли розповсюдження електроерозійний і електрохімічний методи. В цих випадках круг 2 і електрод-інструмент 1 утворюють електричний ланцюг (рис. 22.7), в який від джерела технологічного струму 3 подають імпульси напруги при електроерозійному методі або постійний струм – при електрохімічному. В першому випадку робочим середовищем є звичайна мастильно-охолоджувальна рідина, в другому – електроліт. Видалення продуктів засалювання і зв’язки при електроерозійному методі виконується електричними розрядами. При електрохімічному методі продукти засалювання і металева зв’язка руйнуються шляхом їх переводу в іонний стан внаслідок дії електричного струму в середовищі електроліту.

Рисунок 22.7 – Принципова схема електроерозійного та електрохімічного

способів правки алмазних кругів на металевій зв’язці

22.7 Мастильно-охолоджувальні рідини для шліфування

В зв’язку з високою теплонапруженістю процесу шліфування якість оброблення значною мірою визначається вірним призначенням мастильно-охолоджувальних засобів.

При шліфуванні найбільше розповсюдження знайшли наступні мастильно-охолоджуючі рідини:

• 0,3 %-вий водяний розчин кальцинованої соди;
• 2 %-вий водяний розчин мильного порошку;
• 5-7 %-вий водяний розчин емульсола;
• 3,5 %-вий водяний розчин нейтрального емульсола на основі олеїнової кислоти.

При шліфуванні з достатньою кількістю мастильно-охолоджувальної рідини (10-60 л/хв) поряд із зниженням температури проходить видалення абразивного і металевого пилу із повітря, очищення пор круга від продуктів шліфування, підвищуються продуктивність та якість оброблення.

22.8 Особливості шліфування кругами із алмазів

та інших надтвердих матеріалів

Особливості шліфування алмазними кругами визначаються насамперед властивостями алмазного зерна – його високою твердістю, активною хімічною взаємодією з залізом, високою гостротою кромки, термостійкістю. Під час алмазного шліфування велике значення має зв’язка, яка впливає на сили тертя, що супроводжують процес оброблення.

Висока твердість алмазу обумовлює характерну особливість мікрорізання при алмазному шліфуванні, яка полягає в тому, що руйнування оброблюваного матеріалу проходить головним чином зрізом.

При алмазному шліфуванні сталей виявлене явище адгезії, яке викликає мікровириви на оброблюваній поверхні.

Рисунок 22.1 – Схеми шліфування:

а – кругле зовнішнє; б – кругле внутрішнє; в – плоске

а)

б)

в)

Рисунок 22.2 – Абразивне зерно

исунок 22.3  Різновисотність зерен

Рисунок 22.4  Комоподібна форма зрізу

Рисунок 22.5 – Проміжна (а) і сегментоподібна (б) форми

одиночного зрізу

а)

б)

Рисунок 22.6 – Сили, що діють при шліфуванні

+

–-

3

2

1

Vд

Vк

МОР

Схеми і особливості процесу різання при шліфуванні