Вид СОЖ изменяет показатели процесса — стойкость и кромкостойкость кругов, шероховатость поверхности, степень налипания металла на зерна круга 163], тепловое воздействие на поверхность детали. Для определения закономерностей изменения перечисленных показателей процесса обработки проводятся экспериментальные исследования по разработке многочисленных видов СОЖ и способов 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 создания на поверхности металла жидкостных пленок той или иной вязкости в результате химико-окислительных процессов (частично разрушающих поверхность металла), так и в результате изменения адгезионной способности металлов и коэффициента трения между зерном и металлом. Во-вторых, СОЖ могут существенно изменять интенсивность затупления зерен круга в результате химикоокислительных процессов на зернах круга, оказывая 202
ким существенное влияние на среднюю производительность шлифования за определенное время обработки и на время между правками.
Совместное влияние основных физико-химических июйств СОЖ (вязкости, плотности, адгезионной способности, химической активности к металлу и зерну) может вносить значительное изменение в соотношения тангенциальных и радиальных сил резания и активно влиять па съем металла. Это особенно показательно при шлифовании с постоянным радиальным прижимом, когда эффективность разных СОЖ можно сравнить по величине удельного съема металла за определенное время работы круга без правки. Остановимся на сравнении влияния на производительность шлифования двух видов СОЖ, наиболее различных по свойствам, которые находят применение в практике шлифования. Это-—наиболее распространенная содовая вода (смесь 1,5%-ного водного раствора кальцинированной соды и 1,5%-ного раствора нитрита натрия) п масло индустриальное-20.
Расчетная формула (51) предусматривает, что вся работа внешней силы резания затрачивается на деформирование 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 затрачивается не только на деформирование металла, но и на предварительное разрушение масляного слоя пли образовавшихся при электрохимическом шлифовании анодных пленок. При этом общий съем металла при постоянной силе шлифования может измениться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.
Например, образование анодных пленок на поверхности детали, особенно в тех случаях, когда ее толщина соизмерима с толщиной срезов от единичных зерен, приведет к увеличению съема, так как сопротивление анодной пленки разрушению меньше, чем обрабатываемого металла. В противоположность этому при охлаждении
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 использовании 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 предложенной формуле при применении разных масел потребует дополнительного учета сопротивления масляных пленок разрушению. ц
Так, в соответствии с формулой Релея сопротивление масляного клина (несущая способность или сила в направлении, обратном Ру)
№ = 2,45-^, (82)
где v ____ скорость перемещения тела (зерна круга)
35 м/с;
и—вязкость масла ИС-20 — 4,8 10-в кгс с/мм2, радиус движущегося цилиндра R «=< 200 мкм (для зернистости круга 40);
/j__ наименьшая толщина масляной пленки на вы
ходе *«0,1 мкм (для скользящих и давящих зерен круга);
I — длина масляного клина ~ 100 мкм.
По очень приблизительным подсчетам сопротивление масляного клина может составить для принятых величин порядка 80 гс на одно скользящее (без резания) в масляной среде зерно. Учитывая разновысотность зерен, можно допустить, что на одно режущее зерно (8—10% от всех зерен на поверхности круга) приходится в толщине масляного слоя примерно половина всех скользящих зерен, т. е. порядка 4—5. Следовательно, на нагружение одного 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 масляной пленки скользящими зернами может быть затрачено ц ‘ =» 4 кгс. При внешнем нагружении единичного режущего зерна радиальной силой Ру = 10 кгс (на 1 мм режущей кромки) на непосредственное деформирование металла и срезание стружки останется
Py = Py — W’^ 6 кгс.
Таким образом, сила Ру, входящая в расчетную формулу, связана только с деформацией металла и является разницей между внешней силой и силой, связанной с работой разрушения различных поверхностных пленок.
Проверочные эксперименты по определению съема металла при использовании различных СОЖ были выполнены 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 производительности шлифования сталей ряда марок при охлаждении поливом двумя жидкостями — содовой водой и индустриальным маслом (круг 3940СТ1К, ок ^30 м/с, уд=20 м/мин, Р^=1,64 кгс/см ширины круга). Из таблицы следует, что съем металла при применении масла существенно уменьшается. При этом порядок изменения относительной обрабатываемости сталей сохраняется одним и тем же для любой из испытанных СОЖ — Меньшая экспериментальная разница в обрабатываемости разных сталей при использовании масла подтверждается и расчетной формулой, ПО которой С уменьшением СИЛЫ Ру, деформирующей металл (например, в результате наличия масляных пленок), уменьшается разница в теоретических 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 влияние ее на съем металла.
Сравнивая характер изменения удельного съема (табл. 18) при шлифовании сталей Р18 и Р9, можно иметь
Таблица 17
Удельный съем металла Q в мм3/мин кгс при различных СОЖ (круг Э940СТ1 К)
|
Параметры |
Стали |
||||
|
12X2M4BA |
У ЮА |
ХН18НЮГ |
PI8 |
Р9 |
|
|
За первые 5 мин работы круга: масло веретенное • « • |
53 |
44 |
32 |
26 |
12 |
|
содовая вода………………. |
98 |
87 |
76 |
44 |
17 |
|
За 15 мин работы круга без правки: масло веретенное • • • |
52 |
43 |
30 |
24 |
11 |
|
содовая вода………………. |
92 |
83 |
73 |
32 |
13 |
|
Таблица 18 |
Удельный съем металла Q в мм^/мин кгс
при различных СОЖ
|
Время работы круга без правки в мин
|
представление о степени затупления зерен и работоспособности шлифовального круга при использовании разных видов СОЖ. В течение 15—20 мин работы круга изменялся состав жидкости. Анализируя полученные данные, можно отметить, что при высокой смазочной способности масла износ и уменьшение режущей способности
шлифовального круга происходят в меньшей мере, чем,,ри водных растворах СОЖ. Однако 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 снижению доли полезной работы абразивного зерна по удалению основного металла. Кроме того, высокая экранирующая способность масляных пленок препятствует течению окислительных реакций на металлических поверхностях как в зоне резания, так и вне ее, снижая активность химико-термического взаимодействия абразивного и обрабатываемого материалов.
Наличие окисных пленок на обрабатываемой поверхности может привести к быстрой потере режущей способности абразивного инструмента особенно при высокой температуре в зоне контакта зерна с металлом.
Окислительные процессы на обрабатываемой поверхности 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 наличие электропроводных СОЖ вызывает электрохимические анодные окислительные процессы по всей обрабатываемой поверхности. Скорость окислительных процессов усиливается при подаче СОЖ в виде воздушно-жидкостной 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 шлифовальный круг с противоположной стороны от зоны резания и исключается попадание электризованных частиц на обрабатываемую поверхность детали, то износ зерен круга снижается.
Элементы, находящиеся в железоуглеродистых и других сплавах, могут образовать окислы и другие химические соединения, имеющие различную химическую активность к электрокорунду. Следовательно, интенсив-
ность затупления зерен электрокорунда при шлифовании разных сплавов может существенно различаться. Но даже быстрая потеря режущей способности шлифовального круга может быть перекрыта высоким удельным съемом при шлифовании сталей некоторых марок вследствие частичного электрохимического растворения обрабатываемой поверхности. Это находит свое отражение при использовании комбинированных способов электрохимического шлифования, когда, кроме полива жидкостью, производится дополнительное электрохимическое воздействие на поверхность детали вне зоны шлифования с помощью электродов, частично охватывающих деталь. При этом СОЖ начинает одновременно выполнять роль электролита, активно участвуя в окислительных реакциях анодного растворения металла. Следовательно, если, шлифуя 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 использованием комбинированной схемы электрохимического шлифования с применением в качестве электролита того же водного раствора показан в табл. 19.
|
Таблица 19 Удельный съем металла Q в мм3/мин кгс при разных видах шлифования
|
При высоком удельном съеме металла при электрохимическом шлифовании наблюдается снижение режущей способности шлифовального круга. Эти результаты получены при достаточно высокой скорости анодного растворения, 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 процессах, способствуя более быстрой потере режущей способности шлифовального круга, и электрохимическое шлифование становится менее эффективным (рис. 84).
Анализ диаграмм, приведенных на рис. 84, показывает, что присутствие в химическом составе сплава таких легирующих элементов, как вольфрам, ванадий и титан (стали Х20Н80ТЗ, Р18, Р9), в большей степени увеличивает съем металла при электрохимическом шлифовании. 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 взаимодействия окислов ряда легирующих элементов с электрокорундом зерен круга последние более интенсивно изнашиваются при электрохимическом шлифовании. Прослеживается определенная зависимость снижения производительности при электрохимическом шлифовании по сравнению с обычным при наличии в обрабатываемых сплавах кремния и марганца.
Для установления степени затупления зерен электрокорунда 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 электрохимическом шлифовании по сравнению со съемом при обычном шлифовании. Для сплава Х20Н80ТЗ режущая способность шлифовального круга при электрохимическом шлифовании по окисленной поверхности остается достаточно высокой долгое время, а съем металла существенно больше, чем при обычном шлифовании.
Следовательно, при оценке влияния СОЖ на процесс шлифования необходимо учитывать эффективность действия жидкости в двух направлениях — увеличение удельного съема и изменение режущей способности шлифовального круга (затупленность зерен).
При шлифовании с маслом снижается съем металла. Это связано с большим сопротивлением разрушению масляной пленки, уменьшающим силу, приходящуюся непосредственно на резание металла. Экранизация масляными пленками обрабатываемой поверхности исключает возможность образования окисных слоев, которые, участвуя в химико-термических реакциях между абразивным и обрабатываемым материалами, снижают режущие свойства шлифовальных кругов для сталей некоторых марок. Электрохимическое шлифование оказывается эффективным и высокопроизводительным по съему металла в том случае, если анодное растворение преобладает над активностью химико-термических реакций, разрушающих абразив.
При обычном шлифовании, как и при электрохимическом, на интенсивность затупления зерен оказывают влияние 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 определенных химических элементов, входящих в состав сплавов, снизить это действие можно, применяя специальные химические присадки, которые должны попадать в зону шлифования (в составе СОЖ, путем непрерывного нанесения их на поверхность деталей контактным способом, пропиткой кругов). Такие присадки должны содержать химические элементы, более активно реагирующие с окислами металлов, разрушающих зерно, чем материал зерна, и тем самым связывать эти окислы и нейтрализовать их вредное влияние на зерна круга.