ПРИТИРКИ

Особенности притирки. Притирка — технологическая опера­ция окончательной обработки поверхностей прецизионных дета­лен, при которой наряду с получением высококачественной по­верхности необходимо обеспечить точные геометрические разме­ры детали. Совместная притирка сопрягаемых поверхностей, главным образом с целью придания им одинаковой геометричес­кой формы называется взаимной притиркой.

Во время притирки в отличие от других методов доводочной обработки:

а) обрабатываемая поверхность наряду с механическими ис­пытывает и химические действия, в результате которых снима іотся мельчайшие частицы;

б) обработка производится при взаимодействии обрабаты­ваемой детали с жестким инструментом (контрдеталью), при ко­тором точность геометрической формы обрабатываемой поверх­ности зависит от точности жесткого инструмента (притира) и размеров режущих зерен; геометрическая форма инструмента изменяется п процессе обработки и соответствует параметрам окончательно обработанном поверхности, поэтому достижимая Минюсті. обработки притиркой пеограничена, в то время как при других видах доводочных операций точность обработки ограни­чивается кинематической и размерной точностями станка и ин­струмента;

в) на обработанной поверхности имеются ямки и царапины без определенного направления;

г) съем металла с обрабатываемой поверхности в основном осуществляется режущими элементами абразивных или алмаз­ных зерен, временно закрепленных или находящихся в свободном состоянии в зоне обработки;

д) в контакте с рабочими поверхностями инструмента нахо­дится вся обрабатываемая поверхность детали и, следовательно, съем металла производится непрерывно но всей обрабатываемой поверхности, что ухудшает условия удаления продукта обработ­ки (изнашивания) из зоны резания; при притирке свободными режущими зернами притирочная смесь обогащается продуктами износа, а при притирке закрепленными режущими зернами мель­чайшие стружки прилипают к рабочей поверхности инструмента, что вызывает необходимость часто обновлять притирочную смесь и рабочую поверхность инструмента (притира);

е) процесс осуществляется при низких режимах резания; на — .гіример, давление при притирке почти в 10 и 1000 раз меньше, чем соответственно при хонинговании и шлифовании, для того чтобы средняя температура в зоне обработки не превышала до­пустимую (80° С) и не разбрызгивалась притирочная смесь по­верхности инструмента.

Указанные особенности процесса притирки обеспечивают по­лучение высокого качества обработки, улучшают физико-механи­ческие свойства деталей, почти вдвое увеличивают площадь кон­такта сопрягаемых деталей, повышают сопротивляемость обра­ботанных поверхностей коррозии.

При притирке поверхностный слой упрочняется и в нем воз­никают остаточные напряжения сжатия. При необходимости глу­бину наклепанного слоя можно уменьшить до 2—5 мкм, степень наклепа до 10% и изменить структуру поверхностного слоя по глубине до 1 мкм, против 8 мкм при тонком шлифовании.

Структурное состояние поверхностного слоя стальной заго­товки при различных видах тонкой обработки представлено на рис. 1. На поверхности после обработки находится слой 1 (тол­щиной 0,0002—*0,0003 мкм) с адсорбционными молекулами газа. Под ним расположен слой 2 (0,002—0,008 мкм) окислов и нитри­дов (при тонком шлифовании и суперфинишировании) или ад­сорбционная молекулярная пленка с мельчайшими вкрапленны­ми абразивными частицами (при притирке), получающаяся в ре­зультате воздействия соответственно кислорода и азота и много­молекулярных жирных кислот, входящих в состав притирочной смеси. Толщина деформированного слоя 3 составляет 15 и 5 мкм соответственно при тонких шлифовании и притирке; слой 4 — недеформированный необработанный металл. При притирке тол­щина каждого из перечисленных первых трех слоев уменьшает­ся; в третьем слое, кроме того, деформация зерен металла ста­новится меньше.

Для получения высокой точности формы, размеров и неболь­шой шероховатости поверхностей деталей притирку разделяют па несколько операций или переходов. Менее точные детали при­тирают за две операции, т. е. предварительно и окончательно, а для весьма точных деталей применяют три-шесть операций.

При притирке можно: а) применять станки простейшей кон­струкции, так как точность обработки в основном зависит от технических характеристик притирочного инструмента; б) одно­временно обрабатывать большое количество деталей и применять многостаночное обслуживание.

Физическая сущность притирки. Процесс съема материала (формирование обработанной поверхности) при притирке осу­ществляется в результате действия абразивных зерен, химически активных элементов и рабочей поверхности притира на обраба­тываемую поверхность (рис. 2).

Рис. 2. Схема притирки: / — притир; 2 — стружка; 3 — шаржированное абразивное зерно; 4 — обрабатываемая леталь; 5 — размягченный под хи­мическим воздействием слой металла; б — жидкая фаза с хи­мически активной добавкой; 7 — размягченный под воздействи­ем трения слой металла; 8 — перекатывающееся абразивное зерно; 9 — осколок абразивного зерна

Формирование обработанной поверхности при взаимодейст­вии рабочих поверхностей притира (контрдетали) происходит при трении под действием нормальных и тангенциальных напря­жений. При этом тончайшие поверхностные слои материала ис­пытывают упруго-пластические деформации, приводящие на эле­ментарном скользящем контакте к различным явлениям: а) спе­цифической активизации материала (увеличению плотности ва­кансий и дислоцированных атомов) и связанным с ней явлениям схватывания, окисления, различных видов химической и физи­ческой адсорбции; б) упрочнения, усталости, диспергирования и др. Каждое кристаллическое тело характеризуется определен­ным типом дислокаций и их плотностью. При пластической де­формации его дислокационный механизм вызывает особую ак­тивизацию металла в деформируемых поверхностных слоях. При этом возникает большая и неравновесная концентрация вакан-

снй и дислоцированных атомов, вызывающая резкое усиление диффузионных процессов и возникновение мнкротрения. В зави­симости от условий притирки диффузионный процесс способст­вует либо развитию процессов окисления (химического соедине­ния), либо схватыванию при трении и переносу материала. При­чем явления схватывания и окисления при трении являются единым диффузионным процессом. Диффузиснные явления зави­сят от степени деформации и скорости относительного переме­щения трущихся пар. При большой степени деформации и малых скоростях скольжения диффузионные явления могут привести к полному соединению поверхностей (схватыванию первого рода — холодному задиру). При повышенных скоростях скольжения, когда процесс диффузии между трущимися парами не успеет произойти, диффузионные явления реализуются путем взаимодействия активных поверхностных слоев металла с хими­ческим соединением среды зоны контакта. При дальнейшем уве­личении скорости скольжения рост температуры и резкое усиле­ние диффузионных процессов приводит к вторичному диффу­зионному взаимодействию между сопряженными металлами (схватыванию второго рода — горячему задиру) [Л, 7, 9].

Под действием кислорода и активных компонентов смазки в поверхностном слое металла образуются вторичные структуры. Различают две формы образования вторичных структур. Первая форма образования вторичных структур связана с пластической деформацией тончайших поверхностных слоев под действием нормальных и тангенциальных напряжений. При этом поверх­ностные слои, взаимодействуя с кислородом, образуют подвиж­ные пленки, состоящие из твердого раствора и эвтектик разной степени насыщения. Особенностью этих пленок является отсут­ствие четких границ перехода от вторичной структуры к струк­туре основного металла. В процессе трения подвижные пленки перемещаются по поверхности трения и заполняют впадины и неровности. В результате образуются гладкие поверхности с ше­роховатостью Rz = 0,025 •+■ 0,1 мкм.

Вторичные структуры второй формы представляют собой хи­мические соединения и твердые растворы кислорода, серы, фос­фора и других активных элементов с металлом. Вторичные структуры образуются в виде твердых и хрупких пленок на по­верхностях контакта. Линии раздела их на поверхности с основ­ным металлом очень четкие. Хрупкие пленки, имеющие четкую линию раздела и непрочное соединение с основным металлом, иод повторным действием нормальных и тангенциальных напря­жений вначале покрываются сеткой трещин, а затем хрупко от­слаиваются с поверхностей. Рельеф поверхностей, обнажающих­ся после отслаивания хрупких пленок, бугристый. Его образова­ние, по-видимому, связано с процессами деформации и диффу­зии. Эти поверхности расположены ниже несущей поверхности пленок и постепенно, по мере разрушения, входят в контакт с

коитрдеталыо. Образовываются новые пленки вторичных стр тур, и процесс периодически повторяется.

Абразивные зерна, находящиеся между поверхностями дета­ли и притира, находятся на притире в закрепленном, полуза — крепленном или свободном состоянии. Процесс съема материала при притирке закрепленными абразивами (например, шаржиро­ванным притиром) происходит идентично как и при шлифовании и других видах абразивной обработки (рис. 3), где под действием

силу Ру зерно вдавливается в обрабатываемую поверхность, а под действием силы Р2 происходит микрорезание (царапание) материала (рис. 4).

При этом съем металла в основном зависит от соотношения твердостей абразивного зерна и материала обработанной детали. Если абразив имеет меньшую твердость, чем металл, то съем металла минимален; при небольшом повышении твердости абра­зива по сравнению с твердостью металла съем металла несколь­ко возрастает и увеличивается но мере увеличения разницы твер­достей. При некотором их соотношении съем металла достигает наибольшего значения, которое сохраняется при дальнейшем повышении твердости абразива. По данным опытов М. М. Хру­щова и М. А. Бабичева по изнашиванию металлов единичным зерном, эта предельная величина отношения (ЯКдет : # Кабр) рав­на 0.75; по данным опытов М. М. Тененбаума она равна 0,5—0,6.

В зависимости от взаимного расположения абразивных зерен каждое зерно в процессе обработки сначала оттесняет (упруго — пли пластически) металл, а затем режет. Такое чередование ви­дов воздействий, совершаемых абразивным зерном, связано с дроблением ранее работавших абразивных зерен или износом рабочей поверхности инструмента (притира).

Критерием осуществления того или иного вида деформирова­ния является относительная глубина внедрения (см. рис. 4) —

Р

-абразивного зерна (Л — глубина внедрения зерна в обрабаты­ваемую поверхность; р — радиус закругления вершины абразив­ного зерна). Очевидно, что для данных условий обработки отно­сительная глубина внедрения — зависит прежде всего от силы Ру и радиуса р. И. В. Крагельский и другие считают, что в зави­симости от пластичности обрабатываемого материала при— >-

^ 0,01 происходит упругое оттеснение материала, т. с. трение абразивного зерна об обрабатываемую деталь без снятия струж­ки. Глубина внедрения зерна в материал, при котором наступает переход от упругих к пластическим деформациям, может быть подсчитана из выражения [9]

где ат — предел текучести материала; Е — модуль упругости ма­териала.

При 0,01 < — <0,1 — f — 1,1 происходит пластическое оттесие — ^ ft

иие материала без его разрушения, при —> 0,2 — г — 2,0 — мик-

рорезание (царапание) и сопутствующее ему пластическое оттес­нение материала. Поверхностный слой металла подвергается уп­ругой деформации на глубину /ід. Преобладающими видами де­формирования при притирке являются резание и пластическая деформация [11]. В частности, при притирке деталей из закален­ной стали шаржированными притирами (зернистость абразива ЭБМ7, давление 1,11 кгс/см2, скорость притирки 7 м/мин) в на­чальный период преобладает резание с вероятностью 0,6—0,7

0,5^, затем наблюдается постепенный переход к трению

с пластическим оттеснением металла (вероятность резания 0,1— 0,3).

При повышении пластичности обрабатываемого материала

величина —, при которой происходит микрорезание, возраста — Р

ет. Например, при обработке деталей из закаленной и оттожжеи — ной стали 40 указанное отношение соответственно составляет 0,25 и 0,66 [13].

В зависимости от формы царапающего острия, глубины вдав­ливания, его положения относительно обрабатываемой поверх­ности и т. д. может получиться выдавленная или вырезанная ца­рапина. При граненой форме острия и относительном движении его ребром вперед получалась выдавленная царапина, а при дви­жении гранью вперед — вырезанная царапина. При выдавленной царапине материал пластически оттесняется в стороны, но не от­деляется, образуя навалы по краям. При вырезанной царапине

Ю

основная часть материала из ее объема удаляется в стружку, по тем не менее по краям царапины образуются боковые выстугы (навалы). С понижением пластичности обрабатываемого мате­риала пластическое оттеснение металла (навалы) уменьшается и при обработке хрупких тел оно отсутствует вследствие скалы­вания металла [25].

В качестве характеристики количества материала, перешед­шего в стружку, используют коэффициент kc стружкообразова- ния, равный отношению объема металла, удаленного в стружку, к общему объему царапины. Значения kc повышаются в основ­ном с понижением пластичности материала, а также уменьше­нием радиуса округления режущего острия, увеличением скоро­сти резания и колеблются от 0 до I.

Характер съема материала при притирке свободными абра­зивными зернами существенно отличается от характера съема материала при притирке закрепленными зернами, что, очевидно, связано с особенностями взаимодействия абразивного зерна — детали-притира. Например, при притирке свободными абразив­ными зернами последние испытывают главным образом нор­мальную нагрузку и, перекатываясь между поверхностями при­тира и обрабатываемой детали, подвергаются ударно-вибрацион­ному действию. При малых размерах абразивных зерен, а также при длительной притирке зерна разламываются на микроскопи­ческие частицы; при этом значительное влияние оказывает тре­ние в результате соприкосновения поверхности обрабатываемой детали с притиром.

О поведении абразивных зерен и взаимодействии абразива детали и притира имеются несколько суждений. В частности по гипотезе. П. П. Панасова зерна абразива (достаточной твер­дости), находящиеся под нагрузкой между поверхностями при­тира и детали, внедряются в них на глубину, обратно пропорцио­нальную их твердости. При сообщении притиру рабочего движе­ния абразивные зерна приходят во вращение. Микронеровности на поверхности притира и детали прерывают вращение зерен и тогда они проскальзывают относительно одной из поверхностей детали или притира. При вращении и проскальзывании абразив­ные зерна срезают и вырывают металл с поверхностей обраба­тываемой детали и притира.

Наблюдая это явление с помощью съемки процесса притирки стекла, Н. Н. Поляков установил, что сначала в работу вступают крупные зерна (до 10% общего количества зерен). Перекатыва­ясь, они царапают поверхность стекла, а материал удаляется лишь при повторном действии зерен; иногда зерна, вращаясь, «сверлили» стекло.

Аналогичные царапины наблюдал также Престон при пере­катывании по стеклу абразивных частиц. При этом на поверх­ности стекла образовывался слон с царапинами высотой в 2—3 раза больше средней высоты неровностей поверхности. Вторич-

ное перекатывание абразивных частиц приводило к удалению материала с поверхности. Так как абразивные зерна имеют мик­роскопические размеры, то даже при обычных скоростях притир­ки они вращаются, причем с больной скоростью [27]. По дости­жении определенной скорости вращение абразивных зерен ста­новится невозможным и они, прилипая к более мягкому притиру, скользят но поверхности обрабатываемой детали, производя ца­рапание. Таким образом, на основе анализа различных исследо­ваний процесса механического действия свободных абразивных зерен на обрабатываемую поверхность детали, можно сделать следующее заключение. Абразивные зерна, перекатываясь меж­ду движущимися поверхностями детали и притира под действи­ем рабочей нагрузки и дополнительных ударных импульсов, ча­стично вдавливаются (шаржируются) в более мягкий притир. Оставшаяся часть зерен оказывается в свободном состоянии или прижатым между поверхностями детали и притира; это обуслов­лено тем, что абразивные зерна имеют разную форму и различ­ным образом ориентируются своими острыми кромками относи­тельно рабочих поверхностей При взаимном перемещении ра­бочих поверхностей закрепленные в теле притира зерна царапа­ют поверхность обрабатываемой детали, снимая при этом мель­чайшие стружки. Незакрепленные абразивные зерна, вращаясь или проскользывая, оставляют на обработанной поверхности «выбоины» или «выдавленные риски» (рис. 5). При преоблада­нии <выбоин» обрабатываемая поверхность приобретает матовый цвет, а при преобладании царапин и «выдавленных рисок» по­верхность становится блестящей. Очевидно, качение и скольже­ние абразивных зерен между притираемыми поверхностями вы­зывает кроме выбоин и царапин также микропластические деформации и упрочнение поверхностных слоев обрабатываемых деталей. В результате сложного напряженного состояния поверх­ностных слоев и появления усталости происходит «течение» ме­талла и образуются микротрещины и впадины на поверхнос­тях контакта.

Выдавленные риски образуются и при работе закрепленными абразивными зернами (при внедрении зерен на недостаточную глубину, т. с. менее 0,2—0,3 радиуса выступа). В этом случае не­которые зерна не производят резание, а деформируют обраба­тываемую поверхность. В результате многократного пластичес­кого деформирования поверхностный слой отслаивается и вык­рашивается.

При проскальзывании и деформировании поверхностей кон­такта абразивными зернами большое значение приобретают со­путствующие явления взаимодействия активизированного де­формированного металла и химически активных веществ. На поверхностях детали образуются пленки вторичных структур. Дальнейшее взаимодействие пленок вторичных структур с абра­зивными частицами приводит к разрушению этих пленок. Про-

!

Рис. 5. Следы обработки после притирки: а — перекатывающимися абразивными зернами; б — перекатывающимися и сколь­зящими абразивными зернами

цесс образования и разрушения пленок вторичных структур пе­риодически повторяется.

На характер съема металла и образования микрорельефа об­работанных поверхностей влияют смазочно-охлаждающие среды.

13

Эго влияние в основном заключается в химическом действии — (охрупчивание поверхностного слоя с образованием вторичных, структур); адсорбционном действии (облегчение пластической деформации, улучшение свойств смазочной пленки на поверхно­сти контакта) и т. д.

По данным акад. И. В. Гребенщикова присутствие в зоне об­работки химически активных веществ приводит к образованию мягкой, очень тонкой пленки толщиной 0,014—0,02 мкм. При взаимном перемещении притира и обрабатываемой детали эта пленка легко удаляется абразивными частицами.

По данным акад. П. А. Ребиндера на процессы резания, плас­тической деформации и хрупкого разрушения поверхностных слоев влияют поверхностно-активные вещества (ПАВ). При вве­дении в зону обработки ПАВ производят расклинивающее дей­ствие, облегчающее работу диспергирования при резании и тре­нии, вызывают эффект адсорбционного пластифицирования (облегчения пластических деформаций), адсорбционного пони­жения прочности (возникновения хрупкого разрушения при ма­лых интенсивностях напряженного состояния, вплоть до само­произвольного диспергирования) и упрочнения поверхностных слоев металла.

С помощью рентгеноструктурного анализа и электронной дифракции установлено, что масла и эмульсии солей жирных кислот способны образовать на поверхности металлов чрезвы­чайно тонкие пленки (толщиной 0,1 —1,0 мкм), атомы которых связаны с металлом прямой химической связью. Подобные плен­ки легко образуются многомолекулярными жирными кислотами (олеиновой, стеариновой), животными и растительными масла­ми, содержащими химически активную к металлу группу СООН (карбоксил), которые образуют адсорбционный мономолекуляр­ний слой (пленку). При появлении активных пленок трение про­исходит как бы между граничными мономолекулярними слоями. Пленки резко уменьшают площадь соприкосновения поверхно­стей обрабатываемой детали и притира, но не устраняют их пол­ностью. На соприкасающихся участках, ввиду их незначитель­ности, локальные давления становятся достаточными для обеспе­чения пластического течении. Вследствие пластической дефор­мации металл на этих участках приходит в непосредственный контакт с химически чистыми поверхностями. При тесном сбли­жении поверхностей твердых тел возникает силовое взаимодей­ствие. Обычно это притяжение, при котором силы связи носят молекулярный характер. Полагают, что вначале взаимодействие определяется силами Ван-дер-Ваальса, как наиболее сильно действующими, затем активизируются связи другого характера. При взаимодействии (особенно тесном сближении однородных материалов) возникают силы сцепления на основе тех же сил связи, которые характерны для данного материала [7]. Вследст­вие действия молекулярных сил происходит перенос материала

и возможны случаи схватывания при трении. Это приводит к раз­рушению притираемых поверхностей в виде глубинных вырывов и задиров, а в ряде случаев—к заеданию притираемой пары. Таким образом, притирка представляет собой сложный процесс, при котором происходят явления, близкие к механическому (ца­рапание, отслаивание, выкрашивание, образование стружки),, коррозионно-механическому (химическое отслаивание) и моле­кулярно-механическому (схватывание при трении, перенос мате­риала) изнашиванию.

На съем металла преобладающее влияние оказывают абра­зивные зерна и химическое действие поверхностно-активных ве­ществ, входящих в состав притирочной жидкости. В зависимо­сти от того, какие из этих факторов преобладают, различают два вида притирки: механико-химический и химико-механический.

При механико-химической притирке используют абразивные смеси, твердые составляющие которых тверже материала дета­ли. Если в состав притирочной смеси наряду с различными хи­микатами и активными добавками входят твердые составляю­щие, которые мягче материала детали, то процесс относят к хи­мико-механическому притиранию [14]. При механико-химической притирке на обрабатываемой поверхности (матовой или блестя­щей) появляются выбоины и царапины. При химико-механичес­ком притирании следы обработки получаются в виде царапин и выбоин, но чрезвычайно малых размеров, и обработанная по­верхность имеет зеркальный блеск, образование которого, по-ви­димому, связано с трением.