ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ. ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ. НА ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ. 5.1. СВЯЗЬ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ. И КАЧЕСТВОМ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Шлифование в основном относится к финишным опе­рациям, поэтому во многом определяет эксплуатацион­ные свойства обработанных деталей. Одним из важных факторов, влияющих на эксплуатационные свойства де­талей, является качество поверхностного слоя, которое характеризуется геометрическими параметрами поверх­ности (шероховатостью, волнистостью, макрогеометри­ей); структурой поверхностного слоя (кристаллическим строением, наличием макро-, микро — и субмикродефек­тов, окисных пленок, обезуглероженного слоя, слоя, обедненного легирующими элементами, структурных превращений в поверхностном слое в результате закал­ки, отпуска, дисперсионного твердения); степенью де­формации металла в поверхностном слое (деформацией внутри отдельных зерен и совокупностей зерен в слоях); наклепом поверхностного слоя (глубиной наклепа, сте­пенью и распределением его по глубине); остаточными напряжениями (знаком, значением и распределением по. глубине, соотношением между остаточными напряже­ниями 1, 2 и 3-го родов, а также между тангенциальны­ми, осевыми и нормальными напряжениями).

Качество шлифованных поверхностей определяется физико-механическими свойствами материала детали и инструмента, параметрами процесса шлифования и траекторией движения инструмента относительно обра­батываемой детали.

Шлифованная поверхность образуется в результате одновременного действия геометрических факторов и пластических деформаций, сопровождающих процесс шлифования [51], который представляет собой сумму процессов микрорезання отдельных зерен абразива, скрепленных между собой связкой в режущий ннстру-

Подпись: і іПодпись: і
мент. Исследования процесса микрорезания абразивным зерном направлены на определение траектории движе­ния зерна, силовых зависимостей при резании и дефор­мациях, формы и размеров стружки [20, 33, 39]. При этом больших расхождений в результатах не наблюда­ется: они дополняют друг друга. Основной вопрос за­ключается в том, как закономерности резания отдель­ным зерном характеризуют процесс резания шлифоваль­ным инструментом, так как размеры, форма и число абразивных зерен, контактирующих с обрабатываемой поверхностью, имеют значительные диапазоны рассеи­вания.

Ввиду хаотичного расположения абразивных зерен в шлифовальном круге их разделяют на режущие, давя­щие и нережущие, так как шлифуемый металл последо­вательно проходит три обязательные стадии (упругой и пластической деформаций, разрушения), определяе­мые глубиной внедрения зерна [20]. По данным работ [30, 33, 34], число давящих зерен составляет 12% от общего числа абразивных зерен, режущих — 10, нере­жущих —- 78 %.

Большинство исследований в этой области посвяще­но изучению формирования поперечной шероховатости. Существует ряд моделей образования шероховатости как геометрического копирования профиля шлифоваль­ного круга [31]. Первоначально исходили из того, что абразивные зерна расположены на рабочей поверхности шлифовального круга в определенном порядке, на оди­наковом расстоянии друг от друга и в плоскости, перпен­дикулярной оси вращения шлифовального круга, но данная модель была опровергнута исследованиями [20].

В работе [51] установлено, что вероятность работы двух соседних зерен абразивного круга в одной плоскос­ти практически равна нулю, и для полного снятия слоя металла необходимо многократное прохождение зерен крута. Однако при этом не учитывалось попадание абра­зивного зерна на след от предыдущего, неизбежно про­исходящее при такой большой скорости вращения шли­фовального круга. По модели [31] образуется не более 50% срезов. Попадание зерна в срез от предыдущего учитывается в модели [52]. Разнообразие моделей фор­мирования шероховатости и их приближенность объяс­няются [33] тем, что условия шлифования различны.

Более общая модель формирования шероховатости

поверхности предложена в работе [29]. Согласно этой модели, шлифование представлено как процесс резания резьбовой гребенкой с постоянным и переменным шагом зубьев. Тогда профиль шлифованной поверхности можно описать тригонометрическим полиномом. Данная мо­дель соответствует шлифованию кругом после правки алмазом, но после приработки круга он теряет «резьбу» [31]. Геометрия поверхности шлифованных деталей зависит также от пластических деформаций во время шлифования, поэтому профиль поверхности никогда не соответствует тому профилю, который бы получился в результате геометрического копирования. Наиболее точ­но профиль шлифованной детали можно описать, исполь­зуя вероятностный метод на основе математической статистики [53]. В этом случае эффективный профиль — профиль, который получается в результате сведения всех рядов зерен шлифовального круга в одну плоскость [31],-—рассматривается как сумма элементарных неза­висимых профилей. Каждый элементарный профиль является реализацией случайного стационарного про­цесса, имеющего нормальное распределение. По профи­лограммам элементарных профилей вычисляют харак­теристики эффективного профиля (корреляционную функцию, коэффициенты корреляции), а по ним аппрок­симируют профиль шлифованной поверхности (напри­мер, полиномом Лагранжа) [53]. Примерно таким же методом рассчитывают среднее арифметическое откло­нение Ra шлифованного профиля [54] по функции рас­пределения вероятности ординат профиля шлифоваль­ного круга на определенном уровне от линии наиболь­ших выступов.

При решении частных задач в исследованиях часто применяют эмпирические степенные зависимости пара­метров шероховатости от условий шлифования [28].

Сила резания, возникающая при шлифовании, явля­ется суммой сил воздействия отдельных абразивных зерен. Сумма элементарных сил [35] не совпадает со значениями, измеренными экспериментально при шли­фовании, что объясняется сложностью взаимодействия шлифовального круга и обрабатываемой детали, учас­тием в процессе материала связки круча, возможностью накопления стружки в порах и т. д. Следует ожидать, что в дальнейшем модель образования сил резания при шлифовании будет носить также вероятностный харак-
тер. При этом аналитические зависимости не теряют своего значения для объяснения физических закономер­ностей процесса шлифования.

Теоретический анализ сил резания, возникающих при шлифовании, приведенный в работе [20], показал следующее: при улучшении механических характеристик обрабатываемого материала силы резания растут, при этом наибольшее влияние оказывают твердость и проч-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ. ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ. НА ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ. 5.1. СВЯЗЬ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ. И КАЧЕСТВОМ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙРис. 5.1. Зависимость темпера­туры при шлифовании стали Р18Ф от продольной подачи изделия (круг ПП200Х20Х75 ЛО 63/50 Б1, скорость шлифо­вания о=30 м/с, глубина шли­фования f=0,01 мм)

ность материала на сдвиг, причем тангенциальная со­ставляющая больше зависит от прочности на сдвиг, а радиальная — от твердости; с увеличением твердости и зернистости и уменьшением номера структуры круга силы резания повышаются; повышение скорости движе­ния обрабатываемой детали и глубины шлифования приводит к росту сил резания, так как увеличивается толщина среза; с увеличением скорости шлифовального круга силы резания снижаются.

Под действием сил резания происходит упругопла­стическая деформация тонких поверхностных слоев об­рабатываемого материала, которая приводит к измене­нию формы зерен и их ориентации, образованию тек­стуры, появлению остаточных напряжений, развитию внутри — и межкристаллических повреждений, изменени­ям механических и физических свойств поверхностного слоя и появлению наклепа. В процессе шлифования возникают значительные температуры. При низких температурах происходят деформации с полным упроч­нением, при высоких — с неполным (ввиду одновремен­ного снятия упрочнения). Все режимные факторы шли­фования, которые способствуют повышению температу­ры обрабатываемой поверхности или увеличению про­должительности теплового воздействия, приводят к сни­жению упрочнения.

Силовой и температурный факторы непосредственно зависят от режимов [25, 26, 31, 46]: скорости шлифова­ния, скорости движения обрабатываемой детали (по­
дачи), глубины шлифования, подачи СОЖ [23, 24]. Например, чем больше скорость обрабатываемой детали, тем меньше температура в зоне резания [21] (рис. 5.1) и больше степень упрочнения поверхностного слоя шли­фованной детали. На рис. 5.2 представлена зависимость микротвердости по глубине шлифованной поверхности от скорости обрабатываемой детали [22]. При шлифо­вании сплошным кругом микротвердость возрастает с

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ. ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ. НА ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ. 5.1. СВЯЗЬ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ. И КАЧЕСТВОМ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙРис. 5.2. Зависимость мик­ротвердости от глубины шлифованной поверхности при продольной подаче: 1 — S=5 м/мин; 2 — 10; 3 — 15 (с=30 м/с, ^=0,04 мм, шлифовальный круг 25А40СН2К)

увеличением скорости детали до 10 м/мин, с дальней­шим повышением скорости микротвердость уменьша­ется.

Очевидно, вследствие относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали изменяются и ] режимы резания [48], что приводит к рассеиванию па­раметров качества обрабатываемых поверхностей [27, 29, 4G, 49]. На рис. 5.3 представлен график [28] изме­нения микротвердости шлифованной детали.

Подпись: О 4 8 12 /,ММ Рис. 5.3. Изменение микротвердости по длине прошлифованной поверхности

Период изменения микротвердости равен длине вол­ны на поверхности детали. Изменение микротвердости поверхностного слоя обусловлено [29] изменением усло­вий шлифования. Обычно их подбирают таким образом, чтобы шлифовальный круг работал в режиме, близком

к самозатачиванию. При наличии колебаний формооб­разующих узлов станка зерна шлифовального круга внедряются в металл на глубину, отличающуюся от ра­циональной. При этом на выступе волны резание ме­талла облегчено, во впадине затруднено из-за частич­ного залипання поверхности круга. Теоретический ана­лиз изменения режимов шлифования в зависимости от колебаний формообразующих узлов станка [57] пока­зывает, что мгновенное сечение стружки может увели­чиваться в 20 раз.

Исследованиями [31, 46] установлено, что при шли­фовании легированных закаленных сталей образуются две зоны структурного состояния шлифованной поверх­ности: зона вторичной закалки, имеющая аустенитно­мартенситную структуру, и нижележащая зона со струк­турой высокотемпературного отпуска, состоящая из феррита, остаточного аустенита и цементита. Первая зона распространяется в глубь металла на 5—10 мкм, вторая — на 15—25 мкм. В соответствии с изменениями структуры меняется и микротвердость, которая зависит также от степени наклепа поверхностного слоя металла, образующегося вследствие пластических деформаций.

Анализ результатов исследований показывает, что по­верхностный слой обрабатываемых деталей формиру­ется под одновременным воздействием геометрического, силового и теплового факторов, являющихся функ­циями процесса шлифования и имеющих непосредствен­ную связь с относительными колебаниями формообразу­ющих узлов станка.

Updated: 28.03.2016 — 16:35