Существенное влияние химического состава стали на производительность шлифования ее отмечалось в ряде работ. Т. П. Рекшинской и Н. А. Минкевичем изучалась шлифуемость (обрабатываемость) инструментальных сталей различных марок (табл. 1).
|
Таблица I Изменение производительности шлифования разных сталей
|
Значительное расхождение данных (табл. 1) в разных работах может быть объяснено методическими трудностями оценки производительности обработки при работе с постоянными режимами. Однако производительность шлифования меняется весьма значительно даже для одной группы инструментальных материалов (быстрорежущих сталей и их заменителей), имеющих близкие механические и структурные свойства при комнатной температуре.
По данным ЦНИИТМАШа, удельный съем металла при шлифовании некоторых жаропрочных сплавов иногда в 20—30 раз меньше, чем при шлифовании обычных конструкционных сталей. Экспериментальные данные по 8
обрабатываемости шлифованием малолегироваиных кои — і’і рукциопиых сталей разных марок при постоянной радиальной силе подачи показали [29], что разница и производительности обработки разных сталей доходит чо.4 раз при.■ =35 м/сек и до 5 раз при с. = 50 м/с.
В работе М. Харады исследована обрабатываемость шлифованием при постоянной силе подачи сталей шести марок. Сталь, по химическому составу близкая к Р18, имеет обрабатываемость в 10 раз меньшую, чем сталь 40, а нольфрамованадийкобальтовая инструментальная сталь и 10 раз хуже обрабатывается, чем сталь 40. Следовательно, химический состав стали значительно влияет на производительность шлифования. Это влияние необходимо учитывать в заводской практике и нормативах на шлифо — пильные работы.
Ниже приведены некоторые данные ряда исследовании, анализирующих причины и закономерности различной производительности шлифования разных сталей.
В работах Н. И. Волского и А. В. Абанова приведен ряд данных по влиянию различных показателей металлов пн их обрабатываемость шлифованием. Как отмечает II. И. Волский, наиболее невыгодными для процесса шлифования являются случаи сочетания в сплаве одновременно высоких значений сопротивления разрыву с высокими показателями пластичности: относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости. В’своих исследованиях Н. И. Волский показывает одновременное влияние отдельных легирующих элементов, входящих в состав стали, а также изменения структуры на обрабатываемость сталей шлифованием.
Вопрос о влиянии структуры металлов на процесс шлифования рассматривается также в работах Л. В. Альтшулера и М. П. Сперанской. Увеличение остаточного аустенита в поверхностном слое прошлифованной закаленной стали является причиной засаливания и быстрого износа зерен круга при шлифовании легированных закаленных сталей.
К аналогичным выводам пришел и Б. И. Костецкий. Однако шлифуемость отожженных сталей в исследованиях Б. И. Костецкого не имеет заметных различий, н то время как Н. И. Волский показывает, что обрабатываемость стали марки РФ1 примерно в 3 раза ниже обрабатываемости марки У12А (в отожженном состоянии).
11 И. Волский объясняет эту разницу резким различием
этих сталей по химическому составу, исходным структурам и механическим свойствам.
Следует отметить, что до сих пор отсутствует объяснение влияния твердости и прочности стали [29] на ее обрабатываемость. В табл. 2 приведены для сравнения данные по изменению относительной производительности шлифования сталей с различными пределом прочности и твердостью при Ру = const.
|
Таблица 2 Производительность шлифования сталей при разных пределе прочности и твердости
|
Резюмируя итоги работ по влиянию различных характеристик металлов на их обрабатываемость шлифованием, можно отметить следующее: А. В. Абанов ставит обрабатываемость шлифованием в обратную зависимость от механических свойств стали, а именно от истинного сопротивления разрушению и пластичности; Л. В. Альтшулер, М. П. Сперанская и Б. Н. Костецкий указывают на влияние структуры закаленных сталей на обрабатываемость их шлифованием; Нортон отрицает влияние структуры; Ю. А. Геллер, Н. А. Минкевич и Н. И. Волский считают, что обрабатываемость шлифованием зависит от химического состава сталей, главным образом от способностей сталей образовывать твердые карбиды; Н. И. Волский выводит многозначную зависимость обрабатываемости от структуры, химического состава и механических свойств шлифуемой стали.
Анализ работ по обрабатываемости сталей шлифованием показывает несовпадение выводов по установлению степени влияния тех или иных параметров металлов на их обрабатываемость. Ряд данных по обрабатываемости сталей противоречив.
Немногочисленные данные экспериментальных исследований получены при разных методиках шлифования, без учета точности шлифования, износа кругов и других важных технологических ограничений, что делает невозможным их обобщение и использование в нормативах и заводской практике. Кроме того, в разных работах использовались различные критерии обрабатываемости.
Обрабатываемость каждого данного металла может существенно измениться при изменении режущего инструментального материала, а также конструктивных особенностей режущих инструментов и применяемых смазочноохлаждающих средств. Обрабатываемость металлов зависит от характера выполняемой операции, так как на различных операциях факторы, от которых в наибольшей степени зависит производительность труда и, следовательно, себестоимость обработки, также могут быть различными (например, максимальное количество металла, которое может быть снято в единицу времени на предварительных операциях, трудоемкость достижения заданного класса чистоты обработанной поверхности на окончательных операциях).
Так как обрабатываемость [49] металлов оказывает значительное влияние на стоимость продукции, время освоения ее выпуска, объемы капитальных вложений и темпы производства, а полное определение обрабатываемости требует много времени и больших затрат, стоит задача разработки расчетных и сокращенных экспериментальных методов определения обрабатываемости металлов. Особенно важны расчетные методы в связи с тем, что обрабатываемость должна входить в состав оцениваемых и учитываемых свойств в процессе разработки новых металлов и сплавов, которые создаются металлургами.
В производственных условиях часто нельзя экспериментально определить рациональные условия обработки новых металлов до их запуска в производство. Между тем, бывает необходимо заранее, хотя бы в первом приближении, оценить или рассчитать рациональные условия и время обработки деталей, которые должны быть изготовлены из новых металлов. Требуемые приближенные
и
данные о рациональных условиях обработки новых металлов могут быть определены либо путем сравнительной оценки по имеющимся данным об обрабатываемости ранее исследованных металлов, либо рассчитаны с помощью выявленных зависимостей характеристик обрабатываемости от физико-механических свойств металлов и их химического состава с учетом технологии изготовления и микроструктуры.
Так как обрабатываемость в конечном итоге оценивается производительностью обработки, а па последнюю влияют не только свойства обрабатываемого материала, а много различных технологических факторов (например, износ и стойкость инструмента), представляется целесообразным разделить эти понятия. Ниже термин «обрабатываемость» применяется только для оценки свойств обрабатываемого металла оказывать сопротивление пластическому деформированию в конкретных условиях процесса шлифования (или резания металлическим инструментом), а так как, кроме этого фактора, будет рассматриваться действие и других технологических параметров, то в общем случае ниже применяется термин «производительность процесса обработки».
Относительные величины производительности шлифования 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 «производительность процесса», позволяет подойти к определению съема металла при достижении предельно допустимых системой СПИД сил резания, еще обеспечивающих требуемую точность и качество детали, т. е. с учетом возможных реальных технологических условий процесса обработки.
Переходя к формулированию исходных теоретических положений, взятых за основу в дальнейших исследованиях, обратимся вначале к ряду известных особенностей процесса шлифования. Известна легкость разрушения шлифовального круга даже мягкой сталью при обтачивании на малой скорости, в то время как на скорости шлифования круг не разрушается, а металл легко со — шлифовывается. Обращает на себя внимание отсутствие, как указывалось выше, влияния твердости и предела прочности сталей на производительность шлифования их,
;i 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 поверхностных слоях очень быстро падает. Поэтому возникают, по крайней мере, два вопроса:
а) подвергаются ли глубинные слои, срезаемые зернами круга (в пределах толщины срезаемого слоя) за время прохождения зоны контакта, однократному или многократному действию одного или соответственно нескольких 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 температура срезаемого объема металла понизиться в значительных пределах?
Если очередное зерно входит в металл, еще сохраняющий высокую температуру, то оно совершает работу в среде не только отпущенного, но и нагретого до высокой температуры металла. При этом очень разные механические свойства (твердость, прочность) исходных «холодных» сталей, особенно имеющих разную термическую обработку (например, закаленных и нормализованных), будут в определенной мере нивелироваться при нагреве выше критических точек, однако сопротивление разных по химическому составу сталей пластическому деформированию в горячем состоянии будет существенно отличаться друг от друга и может оказаться, что относительная разница 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 нагрузкам 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 производительности при шлифовании сталей разного химического состава.
В свете изложенного основные теоретические предпосылки настоящего исследования могут быть сформулированы 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) производительность 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 J по сравнению с затратами работы на пластическое деформирование металла при стружкообразовании и контактном трении. А о том, что при шлифовании сталей происходит пластическая деформация металла, свидетельствует внешний вид шлифовочных 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) изучению реакции нагретого до высокой температуры металла на внешние силы и разработке на этой основе расчетного метода определения производительности процесса шлифования, протекающего в различных технологических условиях; б) получению расчетных и экспериментальных данных по относительной производительности шлифования сталей разного химического состава с учетом разных технологических условий, встречающихся в практике, — различного силового нагружения системы СПИД, учета геометрии и степени затупления зерен круга;
ртп данные могут быть использованы как для проверки теоретических положений и выведенных ниже функциональных зависимостей исследования, так и для использования в нормативах режимов шлифования и норм основного времени.
Так как производительность процессов обработки н период формообразования поверхностей детали (точность и качество 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 производительности процесса резания с рядом определяющих технологических факторов.