книги из ГПНТБ / Сагарда А.А. Алмазно-абразивная обработка деталей машин

такта круга с изделием (производительность обработки по­ стоянна) имеют весьма близкие показатели удельного рас­ хода, то износ кругов из синтетических алмазов существенно возрастает с увеличением площади контакта круга с де-

Таблица 6

* Круг в процессе обработки засаливается, поэтому данные для случая обра­ ботки стали Сталь 40Х кругом АСК 125/100—М04 отсутствуют.

талью, повышением теплостойкости и снижением теплопроводности обрабатываемого металла. Так, при шлифовании стали Р18 удельный расход алмазных кругов в 2 — 4 раза выше, чем при обработке стали ШХ15

Износ кругов из кубонита с неметаллическим покрыти­ ем при обработке с охлаждением интенсивнее, чем износ

81

кругов из металлизированного кубонита. Очевидно это вызвано тем, что используемое неметаллическое покрытие разлагается под действием смазывающе-охлаждающей жид­ кости на водной основе.

Минимальное значение удельного расхода алмазов и наивысшая производительность при шлифовании перифе­ рией круга обеспечиваются при обработке кругами на ме­ таллической и органической связках из металлизирован­ ных алмазов АСВ и АСК зернистостью 80/63—250/200. Круги из синтетических алмазов АСВ и АСК в настоящее время применяются для круглого и плоского шлифования различных труднообрабатываемых сталей. Особенно эффек­ тивно применение алмазного шлифования для обработки быстрорежущих и жаропрочных сталей, используемых для изготовления лопаток турбин и компрессоров. При алма­ зном шлифовании производительность обработки возраста­ ет в 1,5 и более раз по сравнению с абразивным шлифова­ нием.

Алмазные круги диаметром 500 мм и шириной 50 мм при­ меняют, например, при круглом наружном шлифовании чугунных деталей, ими обрабатывают детали бумагодела­ тельных машин, а также валки каландров. В результате при­ менения кругов из синтетических алмазов производитель­ ность обработки повышается примерно в 1,5—2 раза. Так, например, фирма «Муфорд» (Англия) заменила операцию шлифования направляющих поверхностей чугунной станины кругами из карбида кремния шлифованием кругами из металлизированных синтетических алмазов. Размер шлифу­ емой поверхности 677х 200 мм, снимаемый припуск — 0,5— 0,2 мм. Шлифование производилось с охлаждением чашеч­ ным кругом диаметром 254 мм с шириной алмазоносного слоя 9,6 мм. При шлифовании алмазным кругом для обра­ ботки необходимо 9 мин, в последующей доводке нет не­ обходимости, при шлифовании кругами из карбида кремния продолжительность обработки 17 мин, после чего необхо­ димо шабрение в течение 45 мин.

Алмазным кругом до его полного износа можно обрабо­ тать 32 станины без правки круга. Круг из карбида кремния стоит дешевле алмазного и им можно обработать до 40 ста­ нин, но ввиду необходимости частых правок абразивного круга и низкой производительности обработки стоимость шлифования алмазным кругом на 40% ниже, чем кругом из карбида кремния.

32

Круги из кубонита на металлических и керамических связках применяют главным образом при заточке инстру­ ментов из быстрорежущих сталей (шлифование торцем кру­ га). Для доводки инструментов используют круги на орга­ нических связках.

ШЛИФОВАНИЕ СТАЛИ КРУГАМИ ИЗ КУБОНИТА БЕЗ ОХЛАЖДЕНИЯ

В промышленном производстве существует ряд техноло­ гических процессов, в ходе которых ответственные детали (высокоточные зубчатые колеса, базовые чугунные детали станков, инструменты из быстрорежущих сталей и т. п.) шлифуют без охлаждения торцем круга. При таком шлифо­ вании к связке предъявляются следующие требования: вы­ сокая степень удержания зерен абразива; возможность раз­ мещения отходов шлифования; минимальное трение по обрабатываемому металлу; отсутствие схватывания. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают органические связки. Работоспособность кругов на органических связ­ ках в значительной степени зависит от прочности удержа­ ния зерен связкой. Круги из металлизированного кубони­ та для шлифования без охлаждения не используются, так как вследствие наличия в кругах металла повышается тем­ пература в зоне резания и образуются прижоги.

В Институте сверхтвердых материалов были созданы такие покрытия, при использовании которых повышается прочность удержания зерен связкой и в то же время не по­ вышается температура в зоне резания. Выбор покрытий осуществлялся путем сравнения смачивания, работы адге­ зии и химического взаимодействия расплавов различного химического состава и поверхности кубонита. Критерием смачиваемости был принят краевой угол Ѳ. Работа адге­ зии Wa вычислялась по уравнению Дюпре — Юнга:

где стжг — сила поверхностного натяжения расплава. Исследования работоспособности кругов с новыми по­

крытиями проводились при плоском шлифовании чашечны­ ми кругами на станке модели ЗБ643. Критериями оценки работоспособности кругов служили производительность шлифования, удельный расход кубонита, температура в зо­ не резания, составляющие усилия резания Ру и Рг.

Для измерения составляющих усилия резания на стан­ ке укреплялся специальный динамометр с проволочными датчиками сопротивления (рис. 10). Динамометр состоит из двух тензометрических держателей (центров) 3, в кото­ рых установлена специальная скоба 2. В этой скобе кре-

Рис. 10. Схема установки для измерения составляющих усилия резания и температуры при шлифовании торцом круга.

пятся обрабатываемые образцы 1, в которые уложены хро- мель-копелевые термопары для определения средней по ширине круга температуры в зоне резания (/З.р) и установив­ шейся температуры образца (/уст). Усилия и температуры записывались на осциллографе Н-105.

Обрабатывались образцы из закаленной стали 40Х (HRC 40—45) и чугуна СЧ 18-36 площадью 750 мм2 (15 х X 50 мм). Производительность обработки изменялась от 65 до 500 ммгімин.

Рис. 11. Схема абразивного слоя кругов из обычного и агрегированного кубонита.

Технологический процесс изготовления кругов с неме­ таллическим покрытием зерен позволяет изготавливать принципиально новые круги, состоящие из связки и агре­ гатов зерен, покрытых и соединенных адгезионно-активным к зернам и связке составом. При этом в связку можно вво­ дить агрегаты зерен нужной величины или отдельные зер­

34

на. Это позволяет повысить степень удержания зерен кубонита при весьма развитой рабочей поверхности кругов.

С повышением величины агрегата изменяется характер распределения зерен в объеме круга. Если в обычных кругах 100% концентрации зерна составляют 25% объема абразив­ ного слоя и равномерно распределены (рис. 11, а), то в аг­

ся как возможность размещения отходов шлифования в органической связке, так и хорошее удержание зерен в связке. В случае превышения оптимальных размеров аг­ регатов отходы шлифования не могут размещаться в связ­ ке, а на поверхности агрегата они не могут размещаться из-за высокой прочности покрытия. В этом случае может произойти засаливание кругов.

Для проведения опытных работ были изготовлены круги формы ЧК 125 X 5 на связке Б8 зернистостью 125/100 со средней величиной основной фракции агрегатов 0,40; 0,63; 1,00 и 2,00 мм. Этими кругами шлифовались без охлажде­ ния образцы из стали 40Х при скорости резания 27 м/сек, продольной подаче 1 м/мин и поперечных подачах 0,02 и 0,05 мм/дв. ход. Производительность шлифования составля­ ла соответственно 130 и 330 мм31мин. Зависимость степени износа кругов от величины агрегатов представлена в виде табл. 7.

Минимальный износ обеспечивается при использовании кругов с величиной агрегатов 0,63 и 1,00 мм. При снижении величины агрегатов удельный расход повышается. При

величине агрегатов 2,00 мм происходит их «засаливание»,

амощность шлифования возрастает на 30—40%.

Врезультате сравнительных испытаний кругов на ор­ ганических связках Б1, БЗ, Б4 и Б8 из обычного кубонита

ииз кубонита с покрытием установлено, что при обработке

спроизводительностью 130 мм31мин удельный расход кубо­ нита составляет от 0,6 (4,7) до 0,9 мгіг (7,0 мг/см3). При

этом износ кругов из кубонита с покрытием на 20—30% меньше. Дальнейшее увеличение производительности шли­ фования приводит к резкому повышению удельного расхода кубонита без покрытия и температуры в зоне резания, в то время как при использовании кругов из кубонита с по­ крытием эти показатели повышаются в значительно меньшей степени. При производительности 400 мм3Імин удельный расход кругов из кубонита с покрытием меньше расхода кругов из кубонита без покрытия в 2,5—7 раз. Минималь­ ный износ происходит при обработке кругами на связке БЗ. Минимальные значения температуры в зоне резания имеют место при обработке кругами на связке Б8. В каче­ стве наполнителя этой связки служит тальк, при исполь­ зовании которого снижается работа внешнего трения, а, следовательно, и температура в зоне резания.

В результате анализа рабочей поверхности кругов из обычного и агрегированного кубонита после шлифования при производительности 130 мм31мин установлено, что кру­ ги из агрегированного кубонита имеют более развитую ра­ бочую поверхность, количество выпавших зерен кубонита при использовании таких кругов в 2,5 раза меньше, поэто­ му при работе кругами из агрегированного кубонита полу­ чаются меньшие значения температур в зоне шлифования (табл. 8). При повышении производительности обработки преимущество кругов из агрегированного кубонита еще бо­

36

При шлифовании чугуна износ кругов из кубонита на порядок ниже износа при шлифовании стали. Так, при про­ изводительности 400 мм31мин удельный расход кубонита без покрытия составляет 0,2 мгіг (1,5 мгісм3), а кругов из кубонита с покрытием — 0,07 мг/г (0,5 мгісм3).

В связи с тем, что в производственных условиях основ­ ным критерием выбора характеристики кругов является производительность шлифования, которая ограничивается главным образом возможностью кругов обеспечить вы­ сокое качество обработанной поверхности, целесообразным является применение кругов из кубонита с покрытием на органической связке Б8.

Испытывались чашечные круги на керамической связ­ ке зернистостью 16, 25 и 40 из электрокорунда и монокорун­ да твердостью СМ1—М3 и круг из кубического нитрида бора (кубонита) КОС на органической связке Б8 зернистостью 160/125 (20) 100%-ной концентрации. Все круги имели диа­ метр 125 мм, ширину абразивного слоя 5 мм. Испытания проводили при производительности 130 мм3/мин, Snp = = 1 мімин; Snon = 0,02 ммідв. ход. При большей величине поперечной подачи абразивные круги засаливаются или на­ чинает разрушаться связка. Результаты опытов представ­ лены в табл. 9.

Из приведенных данных следует, что при снижении зер­ нистости кругов величины составляющих усилия резания повышаются, а отношение PJPy понижается. При шлифо­ вании абразивными кругами (как из электрокорунда, так

37

и из монокорунда) составляющие усилия резания Рг и Ру в несколько раз выше, чем при обработке кругами из кубонита. Температуры в зоне резания кругами из кубонита значительно меньше.

Влияние зернистости и концентрации кругов из кубо­ нита на связке Б8 на их работоспособность при шлифова­

Рис. 12. Влияние зернистости (а) кругов и концентрации (б) алмазов на температуру шлифования без охлаждения (кри­ вая 1) и удельный расход кубонита (кривые 2, 3).

нистостью 200/160—125/100. Они имеют наименьший износ при использовании этих кругов, составляющие усилия ре­ зания и температура в зоне шлифования имеют минималь­ ные значения.

Высокий износ мелкозернистых кругов обусловлен тем, что вследствие малой развитости рабочей поверхности не обеспечивается размещение отходов шлифования (главным образом разогретой до высоких температур стружки). При этом интенсивно изнашивается связка и освобождается большое количество зерен, которые выпадают, не совершив полезной работы.

С повышением концентрации от 50 до 150% при произ­ водительности 130 мм3/мин удельный расход кубонита не снижается (кривая 3), а при производительности 325 мм31мин (кривая 2) круги 50%-ной концентрации изна­ шиваются весьма интенсивно, удельный расход по сравне­ нию с кругами 100%-ной концентрации возрастает в 6 раз. В случае обработки кругами 150%-ной концентрации обес­ печивается минимальный удельный расход кубонита, но температура в зоне резания этими кругами выше. Очевид­

38

но, это вызвано упрочнением материала покрытия и орга­ нической связки при повышении содержания в них абра­ зивных зерен.

С повышением скорости резания температура в зоне шлифования возрастает, а удельный расход кубонита пони­ жается. При повышении скорости резания нагрузка на зер­ на кубонита понижается, что приводит к снижению изно­ са кругов, но при этом выделяется большее количество теп­ ла в результате повышения работы внешнего трения, что

Рис. 13. Влияние поперечной (а) и продольной (б) подач на тем­ пературу шлифования (кривая 1) и удельный расход кубонита (кривая 2):

а — S n р0д = 1 м/мин-, 6 — Эпоп = 0,02 мм/дв. ход.

приводит к увеличению износа кругов. Если при скорости резания 23 м/сек (поперечная подача 0,02 мм/дв. ход) тем­ пература в зоне резания составляла 490° С, то при скорости резания 36 м/сек она возросла до 560° С. Так как при шли­ фовании без охлаждения качество деталей и производитель­ ность обработки в значительной степени зависят от темпе­ ратуры в зоне резания, при шлифовании кругами из кубо­ нита с неметаллическим покрытием повышение скорости резания выше 23 м/сек неэффективно.

Влияние продольной и поперечной подач на работоспо­ собность кругов представлено на рис. 13 (при дальнейших опытах скорость резания сохранялась постоянной и состав­ ляла 23 м/сек). С повышением поперечной подачи от 0,01

При производительности до 200 мм3/мин удельный рас­ ход кубонита и температура в зоне резания не зависят от частных значений обеих подач. При больших значениях про­ изводительности повышение продольной подачи в меньшей

39

степени влияет на рост этих показателей. Так, при производи­ тельности 260 мм3/мин, поперечной подаче 0,04 ммідв. ход и продольной подаче 1 м/мин удельный расход кубонита составил 2,0 мгіг (15,6 мгісм3), а при продольной пода­ че 2 мімин и поперечной — 0,02 ммідв. ход— 1,3 мгіг (10,1 мг/см3), температура при этом достигала соответствен­ но 600 и 470° С. Это вызвано тем, что при повышении про­ дольной подачи сокращается время контакта круга с обра­ батываемой поверхностью за один ход, в результате чего, снижается нагрев поверхностного слоя детали, и темпера­ тура на обрабатываемой поверхности не достигает таких высоких значений, как при повышении поперечной подачи.

При всех режимах шлифования отношение РуІР2 оста­ ется постоянным, что свидетельствует о стабильной режу­ щей способности кругов и одинаковом характере износа зерен.

Анализ рабочей поверхности кругов и отходов шлифова­ ния показал, что износ кругов из кубонита происходит в результате микросколов на зернах. Только незначительное количество зерен имеют площадки износа.

Впроцессе исследований были выбраны круги из кубо­ нита для шлифования без охлаждения, которые затем были применены для обработки плоскостей направляющих чугун­ ных станин и шлифования зубчатых колес обкаткой тарель­ чатыми кругами.

Внастоящее время повысились требования к точности

ишероховатости поверхности станин металлорежущих станков, от которых зависит взаимное положение основных узлов станка, а, следовательно, качество обрабатываемых деталей. Шероховатость рабочих поверхностей станин долж­ на соответствовать 8—9 классу чистоты.

Получение высокого качества поверхностей станин свя­ зано с большими трудностями. Обычно окончательная обра­ ботка станин производится шлифованием. При обработке абразивными кругами в зоне шлифования возникают вы­ сокие температуры, что приводит к тепловым деформациям станин и снижению их точности. Ввиду значительных уси­ лий резания происходит отжатие шпиндельного узла стан­ ка и, следовательно, увеличивается число доводочных ходов (выхаживаний). Поэтому в некоторых случаях окончательная обработка станин производится вручную шабрением.

Для повышения точности станин и снижения шерохо­ ватости их поверхностей в настоящее время более 30 пред-

40