Шлифование металлов Шлифование металлов

Шлифование является распространенным видом обработки. К положительным сторонам шлифования относится: а) высо­кая размерная точность порядка 2—4 мк, б) высокая точность формы, например, нецилиндричность 1—2 мк, некруглость 0,3— 0,5 мк, в) шероховатость обработанной поверхности V 7—9кл.„ а в отдельных случаях у 10 и 11 кл. и выше, г) высокая про­изводительность обработки. При окончательной обработке де­талей с малыми припусками (до 0,5 мм) шлифование являет­ся наиболее производительным и экономичным процессом.

К прочим достоинствам шлифования относятся: небольшие силы резания (ниже, чем при точении), возможность произво­дительной обработки при небольшом числе оборотов детали (ниже, чем при тонком обтачивании), возможность во время обработки изменять режим, снижая его к концу цикла, возмож­ность снятия при шлифовании тончайших слоев металла. Шли­фовальные станки требуют меньшего времени на наладку и переналадку. Обработка на неподвижных центрах исключает погрешности вращающихся центров. Количество шлифоваль­ных операций возрастает с расширением применения закален­ных и специальных легированных сталей и сплавов, вследствие вытеснения обработки металлическими инструментами и в свя­зи с повышением точности получения заготовок, и снижением припуска на последующую обработку.

Применение абразивных инструментов относится к глубокой древности. В 1847 г. был выпущен первый универсальный круг — лошлифовальный станок. С 1860 г. начат выпуск шлифоваль­ных кругов на керамической связке. В 1891 г. впервые получен новый абразивный материал — карбид кремния. С 1901 г. на­чат выпуск злектрокорунда, с 1910 г. — белого злектрокорун — да, с 1942 г. — монокорунда.

В дореволюционной России почти не было промышленно­го производства искусственных абразивных материалов. Абра­зивный инструмент изготовлялся заводом в г. Петербурге, вы­пускавшим 300 т шлифовальных кругов в год. Только при со­циализме, в связи с индустриализацией страны, быстрыми тем­пами развивается абразивная промышленность, обеспечивая: разносторонние потребности народного хозяйства в абразивах.

з

В 1931 г. был пущен первый цех плавки электро корунда. В 1933 г. начали работать первые печи для получения карби­да кремния. К 1940 г. по сравнению с дореволюционным вре­менем производство абразивных инструментов возросло в 45 раз. К 1967 г. выпуск электрокорунда в нашей стране по срав­нению с 1940 г. увеличился в 11,5 раз, а карбида кремния — в 17 раз. Промышленность приступила к выпуску абразивного инструмента повышенного качества (класса А), который име­ет однородную твердость в пределах одной степени, более же­сткие допуски на геометрические размеры и дисбаланс.

За последние годы резко увеличился объем работ, выполня­емых на металлорежущих станках, с применением абразивных инструментов в связи с систематическим ростом требования к повышению надежности и долговечности машин.

В дореволюционной России шлифовальные станки выпуска­лись в незначительном количестве. Производство шлифоваль­ных станков в СССР было начато в 1933 г. В годы первой пя­тилетки производственные мощности по их изготовлению нара­щивались быстрыми темпами.

Современные шлифовальные станки имеют повышенную точность, производительность, надежность и долговечность, а также обеспечивают высокую чистоту обработанной поверхно­сти. За последнее десятилетие точность работы шлифовальных станков возросла в 8—10 раз. Повышение производительности станков происходит вследствие увеличения ширины и диаметра шлифовальных кругов, повышения мощности и скорости шли­фования.

Шлифование является наиболее сложным и наимение изу­ченным процессом механической обработки. За последние го­ды в СССР и за рубежом проведены многочисленные иссле­довательские работы в области шлифования. Цель книги — систематизировать и обобщать передовой опыт и знания по ос­новным вопросам шлифования металлов.

Характеристика абразивных инструментов. Абразивная про­мышленность выпускает шлифовальные круги и другие абра­зивные инструменты в очень большом ассортименте. Это позво­ляет наиболее полно удовлетворить разнообразные потребности в инструменте всех отраслей промышленности. Виды кругов по форме сечения и размерам определяются ГОСТом 2424—67, а технические условия, методы испытаний и правила маркировки установлены ГОСТом 4785—64. Абразивные материалы по крупности зерна подразделяются на три группы: шлифзерно,

шлифпорошки и микропорошки. Внутри каждой группы раз­личают несколько номеров зернистости. Классификация абра­зивных зерен по крупности, нормы зернового состава и методы испытаний определены в ГОСТе 3647—59.

Одной из характеристик абразивного инструмента, влияю­щих на его эксплуатационные свойства, является твердость. Под твердостью абразивного инструмента принято понимать сопротивление связки вырыванию абразивных зерен с поверхно­сти инструмента под действием внешних сил.

Методы определения твердости абразивных инструментов приведены в ГОСТе 3751—47.

Стандартизовано три метода определения твердости: песко­струйным прибором, твердомером типа Роквелла и методом высверливания лунки на приборе АОТ-4.

Находят также применение способы испытания твердости кругов, основанные на измерении механических колебаний, зву­ка или шума. Исследованиями [9], выполненными во Всесоюз­ном научно-исследовательском институте абразивов и шлифо­вания (ВНИИАШ), установлена зависимость между модулем упругости и твердостью абразивных инструментов. Звуковым методом определены модули упругости абразивно-керамических черепков из электрокорунда и карбида кремния.

Применяются и пневматические приборы, основанные на оп­ределении воздухопроницаемости абразивного инструмента. К этой группе может быть отнесен пневмоизмерительный при­бор, разработанный на Горьковском автозаводе. За рубежом аналогичный прибор выпускается фирмой Шеффильд. Экспе­риментальное исследование подтвердило существование зави-

симости между степенью твердости и средним значением возду­хопроницаемости. Коэффициент вариации возрастает с увели­чением твердости и исходной неуравновешенности круга. Этот коэффициент может трактоваться, как косвенное измерение неоднородности круга.

Подпись:И. Пекленик разработал метод количественной оценки твер­дости абразивного инструмента, который заключается в том. что твердосплавный резак прочерчивает на круге бороздку ши­риной 0,25—0,30 мм, что примерно соответствует среднему размеру зерна в круге зернистостью 25. При перемещении резака возни­кают силы, которые регист­рируются посредством ин­дуктивного датчика и ос­циллографа. Этот способ позволяет выявить различия в твердости кругов и коли­чественно оценить силы, с которыми абразивные зерна удерживаются связкой, и число абразивных зерен на поверхности круга.

На рис. 1 показана за­висимость между силой, с которой отдельные абразивные зерна удерживаются связкой, и степенью твердости круга при разной его зернистости.

Структура характеризует строение (каркас) абразивного ин­струмента. Условно принято судить о структуре абразивного инструмента по объему абразивного материала в единице объе­ма инструмента, выраженному в процентах.

№ структуры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112

Объем зерна

в % …. 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38

Для повышения режущей способности абразивного инстру­мента целесообразно повышать пористость кругов.

Виды абразивных материалов. В промышленности использу ют главным образом абразивы искусственного происхожде­ния: электрокорунд, карбид кремния, карбид и нитрид бора и алмаз.

Свойства электрокорунда определяются содержанием корун­да и сопутствующих примесей. С увеличением содержания оки­си алюминия А1203 повышается прочность зерна.

Нашей абразивной промышленностью выпускаются: электро­корунд нормальный (Э5, Э4, Э2К, ЭЗ и Э2), белый (Э9, Э9А и

«

Э8) и монокорунд (М8 и М7). Легирование электрокорунда добавками в виде окислов титана, хрома и циркония повышает режущие свойства инструмента. Сейчас разработана техноло­гия плавки легированных электрокорундов марок ЭТ и ЭХ.

Содержание примесей MgO, БіОг, СаО и БегОз ограничи­вают.

Свойства карбида кремния определяются содержанием SiC и сопутствующих примесей. С увеличением содержания SiC по­вышаются режущие свойства. Карбид кремния выпускается следующих марок: 1) зеленый — шлифзерно К39 и К38, шлиф — порошки К37 и К36, микропорошки К36; 2) черный — шлифзер — но КЧ8 и КЧ7, шлифпорошки КЧ7 и КЧ5. Цифры в маркиров­ке означают содержание SiC в %>: 99, 98, 97, 96 и т. д. соответ­ственно. Содержание примесей БегОз и свободного углерода ограничивают.

Подпись:Карбид бора в присутствии кислорода воздуха при повы­шении температуры окисляется, при этом поверхностные слои обезуглероживаются, что приводит к снижению режущих свойств. В последнее время получают применение инструменты из кубического нитрида бора, которыми успешно шлифуются труднообрабатываемые мате­риалы: быстрорежущие, жаро­прочные и легированные стали.

Геометрическая форма аб­разивных зерен. На режущую способность абразивных инст­рументов влияет форма зе­рен — радиус скруглення р и угол при вершине е. В табл. 1 приведены [6] средние значе — ‘ ния для риє.

Величины радиусов скруг­лення снижаются в следую­щей последовательности — электрокорунд нормальный Э, белый ЭБ, монокорунд М, карбид кремния и КЗ. Так как меньшие по размеру абразивные зерна имеют меньшие р и е, то при этом снижаются силы резания при шлифовании. С возрастанием в абразивных материалах про­центного содержания окиси алюминия (или карбида кремния — соответственно) радиусы скруглення и углы при вершине зерен уменьшаются. Исследование [6] показало наличие связи между радиусами скруглення и углами при вершине зерен. Так, напри­мер, для ЭБ40

ре = 0,032е — 0,027.

Абразивные зерна неизометричны, для зерен Э коэффици­ент неизометричности колеблется в пределах 1,7—2,4.

Механические и физические свойства абразивных материа лов. Механические свойства абразивных материалов характе ризуются: микротвердостью, плотностью, модулем упругости пределом прочности на сжатие, растяжение и изгиб, механиче­ской прочностью при статической и ударной нагрузке и изме-

Таблица 2

Значения микротвердости и плотности различных абразивных материалов

Материал

Марка

Мик ротвер дость в кГ/мм2

Плотность в г/см*

Электрокорунд:

нормальный ……..

э

2000—2200

3,90+0,005

белый . ……………………………………..

ЭБ

2300—2400

3,95+0,05

Монокорунд …………………………………….

М

2300—2400

3,97±0 03

Карбид кремния:

зеленый……………………………………..

КЗ

3500

3,15+0,03

черный …………………………………. .

кч

3500

3,15+0,03

Карбид бора……………………………………..

3500—4235

2,5 +0,03

Нитрид бора…………………………………….

8000—10 000

3,52±0,02

нением этих свойств с повышением температуры. Значения микротвердости и плотности различных абразивных материалов приведены в табл. 2.

По исследованиям Г. В. Бокучава [3], с повышением темпе­ратуры микротвердость абразивных материалов при различ­ных температурах снижается (табл. 3).

Таблица 3

М икротвердость в кГ 1мм2 абразивных материалов при различных темперг турах

Абразивный материал

Температура в °С

20

500

600

700

800

900

1000

1! OoJ 1200

1300

Карбид кремния…………………

3300

2460

2250

2180

1710| 152U

1385

1170

970

800

Электрокоруид ………………….

2460

2350

2250

2050

1850

1

1490

1250

980

570

410

Модуль упругости Е для электрокорунда 3—5,2 • Ю4 кГ/мм2, для алмаза 9-Ю4 кГ/мм2. С повышением температуры от 20 до 1000°С значения Е для электрокорунда снижаются на 16%.

Справочные данные по пределам прочности на сжатие и из­гиб приведены в табл. 4.

Механическая прочность партии абразивных зерен обычно характеризуется процентом неразрушенных зерен в партии при статическом испытании на сжатие либо при испытании дентоо — 8

Предел прочности на’сжатие н

изгиб

Предел прочности в КГ/ММ*

Абразивный материал

при сжатии

при изгибе

Корунд [49]……………………………………………………………

Электрокорунд нормальный [8] ……………………………….

Карбид кремния [8] ………………………………………………..

Монокорунд [8]……………………………………………

Алмаз ……………………………………………………………………

98,8—179,2

75,7

224*

304**

224*

200

31,1—38,1

8,72

15,5

36,77**

30

* Перпендикулярно оптической оси ** Параллельно оптической оси.

бежным методом. На рис. 2 представлены сравнительные дан­ные {63] при обоих методах испытания для зерен Э и КЗ. Кри­вые показывают, что с уменьшением размеров зерен процент

%

image7

Рис. 2. Процент неразрушенных зерен в зависимости от их зернистости

в 0,01 мм: ‘

I, 2—статическое испытание 100 см3 зерен под давлением 35 т в цилиндре диаметром во мм; 3, 4—динамическое испытание центробежным методом 1, 3—для зерен КЗ;

2. 4—для зерен Э)

неразрушенных зерен возрастает; в зоне мелких абразивных зе­рен прочность зерен корунда выше, чем электрокорунда.

Большое значение для практики шлифования имеет знание нагрузок, при которых начинается поверхностное выкрашива­ние абразивных зерен, так как последние внедряются в обраба­тываемую поверхность на глубину, составляющую малую часть от их размера (рис. 5).

Коэффициент линейного теплового расширения у электро­корунда равен 7-=-9 • 10_6apacH, а у карбида кремния он мень­ше почти в 2 раза. С повышением температуры коэффициент линейного расширения уменьшается. Коэффициент теплопро-

водности у карбида кремния равен 0,024 кал • смгл сек~х град у, а у электрокорунда он значительно меньше.

С увеличением температуры от 20 до 900°С коэффициент теплопроводности уменьшается в 4 раза. Вследствие меньшей теплопроводности и большего коэффициента линейного тепло­вого расширения зерна электрокорунда более склонны к вык­рашиванию из связки, чем зерна карбида кремния.

Удельная теплоемкость электрокорунда 0,18—0,23 кал/г х X град; карбида кремния — 0,14—0,18 кал/г, град. С повышением температуры теплоемкость возрастает: для электрокорунда до 0,279 кал/ч • град при 1000°С и до 0,285 кал/ч • град при 900°С для карбида кремния.

Физико-механические свойства абразивного инструмента. Ме­ханические свойства абразивных кругов на различных связках приведены в табл. 5.

Таблица 5

Механические свойства кругов на разных связках

Механические свойства кругов

Связка

керами­

ческая

бакелитовая

вулкаиито-

вая

Предел прочности в кГ 1мм2 при:

растяжении………………………………..

сжатии ……………………………………..

изгибе ………………………………………

Ударная вязкость в кГ-м/см2 . . . Температура размягчения в °С. . . Плотность (объемная масса) в г,’см9 Модуль упругости в кГ/мм2-10s. .

3—5

7—9

4,5—6

1.2— 5,0 500—700

2.2— 2,8 5—8,5

3—3,5

15

6

5—6 100—120 1,2-1,4 0,4—1,0

4—6

7—8,5

8— 10 10—15 80—100

1,0—1,4 0,1—0,4

Механическая прочность кругов увеличивается с возрастани­ем степени твердости круга, причем влияние твердости значи­тельнее, чем зернистости. С повышением степени твердости кру­га критическая скорость кругов (до разрыва) возрастает в мень­шей степени, чем с уменьшением размеров зерна. Это несоответ­ствие между критической скоростью и механической прочностью кругов объясняется возрастанием объемной массы и степени не­уравновешенности круга с повышением его твердости. Лучшие результаты по прочности дает реакционноспособная боросодер­жащая связка.

Исследование показало, что с уменьшением размеров зерна возрастает относительное количество связки и снижается степень ее уплотнения. Поэтому при мелком абразиве отклонение сито­вого состава сильнее влияет на неоднородность кругов по твер­дости. Увеличение содержания мелкой фракции в абразивном зерне может вызвать понижение степени твердости круга на 1 —

2 градации. Изменение плотности (объемной массы) зерна на 0,5 г/см3 может вызвать изменение степени твердости круга на! градацию. С уменьшением размеров абразивного зерна увели­чивается прочность абразивного черепка круга.

Достоинства бакелитовой связки — повышенная прочность и упругость, поэтому круги успешно работают при переменной ударной нагрузке. Недостаток этой связки — снижение механи­ческой прочности с повышением температуры.

Круги на вулканитовой связке также обладают повышенной прочностью и упругостью.

Модуль упругости [13] снижается с увеличением температу­ры, пористости круга и с уменьшением объемного содержания связки (при постоянном объеме зерна). По сравнению с обра­батываемой сталью шлифовальный круг является более эластич­ным, так как модуль упругости значительно меньше. Это спо­собствует возрастанию линии контакта. Имеется зависимость между модулем упругости и степенью твердости круга. Для кру­гов твердостью от ВМ1 до СТ2 значения для модуля упругости возрастают с 5,1 до 6,8- 103 кГ/мм2.

Коэффициент теплопроводности для абразивных инструмен­тов на керамической связке с зернами ЭБ колеблется в преде­лах 0,0022—0,0064 кал • см~х сек~х ерад~х, а с зернами КЗ — в пре­делах 0,010—0,020 кал ■ см~х сек~х град~х.

Коэффициент теплопроводности снижается с увеличением температуры и пористости и с уменьшением процентного содер­жания связки (при постоянном объеме зерна). Это объясняет­ся более высокой теплопроводностью связки по сравнению с воздухом и более низкой — по сравнению с зернами абразива. Б интервале зернистостей 40—10 теплопроводность мало зави­сит от зернистости. Переход к зернистости меньше 10 сопро­вождается снижением теплопроводности. Коэффициент тепло­проводности зависит от степени твердости круга.

Для выполнения ответственных операций выпускаются кру­ги класса А, которые изготовляются на борной связке из элек­трокорунда белого марки Э9А и нормального электрокорунда марки Э5 с дополнительной сепарацией зерна, содержащего не менее 55% основной фракции. Особенностями кругов класса А являются: повышенная механическая прочность, максимальное соответствие заданным геометрическим размерам, равномерная твердость, практически отсутствие железисто-шлаковых вклю­чений и малый дисбаланс.

Для изготовления прецизионных кругов применяют зерно специального рассева, многократно очищенное от металличес­ких включений и подвергнутое химическому обогащению.

Шлифование металлов
0 votes, 0.00 avg. rating (0% score)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *