Особенности процесса резания при шлифовании

 

При шлифовании удаление припуска с заготовки осуществляют царапанием абразивными зернами. Для шлифования характерны высокие скорости ре­зания и малые сечения срезаемого слоя металла. При высоких скоростях резания стойкость режущих граней зерен мала, они быстро затупляются и откалываются со шлифовального круга. Однако ввиду периодического вступления в работу новых зерен стойкость круга в целом достаточно велика. Каждое зерно срезает очень тонкую стружку, но, так как одновременно в работе принимает участие большое количество зерен, а скорость резания велика, в единицу времени срезается большое количество ме­талла.

Режущие способности шлифовального круга опреде­ляются свойствами материала абразивных зерен, каче­ством связующего материала и структурой абразивного инструмента.

Абразивные материалы. Зерна абразивных инструментов представляют собой искусственные или естественные минералы и кристаллы. Все применяемые в промышленности абразивные материалы делятся на естественные и искусственные. Из естественных минералов применяют алмаз, кварц, корунд, наждак, кремень, гранат. 

Из естественных абразивных материалов самое большое практическое применение имеет алмаз. Чаще всего алмазы применяют для правки шлифовальных кругов (и то в тех только случаях, когда требуется высокая точность формы их поверхности). Используют алмазы массой от 0,2 до 1,5 карат и так называемые алмазные карандаши (мелкие алмазы, заделанные в специальный вольфрамолидноалюминиевый сплав в виде цилиндриков).

 Основными абразивными материалами, применяемыми в промышленности для шлифования, являются искусственный корунд, карбид кремния – карборунд SiC и карбид бора В₄С.

Искусственный корунд или электрокорунд(А1₂О₃). Получают его плавкой в электропечах из шихты, составленной из естественных пород, содержащих окись алюминия.  После плав­ки блоки размельчают до размеров от нескольких мик­рон до 1—2 мм. Электрокорунд обладает высокой твердостью, сравнительно вязок и при дроблении дает зерна с острыми кромками. В зависимости от содержания Al₂O₃ различают: Э -  электрокорунд нормальный (89—95 % А1₂О₃), ЭБ - электрокорунд белый (95—98 % А1₂О₃) и М - монокорунд (98—99 % А1₂О₃). Чем выше со­держание А1₂О₃, тем прочнее, тверже зерна, тем они острее. Электрокорундовые круги используют для шлифо­вания закаленных сталей.электорокорунд подразделяется на два сорта: белый электрокорунд, содержащий 98-99% Al₂O₃, и нормальный электрокорунд, содержащий не менее 91% Al₂O₃.

Карборунд представляет собой конгломерат, состоящий из карбида кремния SiC с незначительными примесями графита, кварца, кремния. Получают его в электропечах при нагреве (до 1800-1850°С) смеси песка SiO₂ и каменного угля с добавкой материалов, способствующих протеканию реакции образования SiС. В зависимости от содержания SiС и примесей различают: КЧ -  черный карбид кремния (SiС от 95 до 97%) и КЗ -  зеленый карбид кремния (SiС > 97%).

Карбид бора В₄С—химическое соединение бора с углеродом — имеет очень высокую твердость, приближающуюся к твердости алмаза. Его получают плавкой из шихты, состоящей из технической борной кислоты и нефтяного кокса. Карбид бора (В₄С) исполь­зуют в виде паст, главным образом для полирования и доводки.

К искусственным минералам также относятся борсиликокарбид, электрокорунд хромистый (ЭХ), электрокорунд титанистый (ЭТ).

 

Абразивные инструменты. Абразивными инструментами называют твердые тела, имеющие правильную геометрическую форму и состоящие из зерен абразивного материала, скрепленных между собой вспомогательным материалом – связкой.

Абразивный инструмент различают по геометрической форме (типу), роду и сорту абразивного материала, зернистости или размерам абразивных зерен, связи или виду связующего материала, твердости, структуре или строению.

Типы шлифовальных кругов

Круги различают по форме на плоские прямого профиля ПП, дисковые  Д,  плоские с выточкой ПВ, плоские с выточкой конические, плоские накладные, периферийные 2П и 3П, кольцевые 1К, чашечные цилиндрические ЧЦ и чашечные конические ЧК, тарельчатые 1Т, сегментные и др.

 

 

Рис. Типы шлифовальных кругов (см. альбом)

 

Зернистость шлифовальных кругов. Абразивные зерна имеют различную зернистость. Согласно ГОСТ 3647—71, размер зерен определяют в сотых долях миллиметра и обозначают определенным номером зернистости: 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16, 12, 10, 8, 6,5, 4, 3, М40, М28, М14, М10, М7, М5.

В зависимости от величины зерна установлено три группы зернистости

шлифзерна               от №200 до №16 (2000 мкм – 160 мкм)

шлифпорошки          от №12 до №3 (125 мкм – 28 мкм)

микрошлифпорошки от № М40 до № М5 (40 мкм – 3 мкм) Абразивные зерна разделяют по номерам зернистости, просеивая их через систему сит, каждое из которых имеет определенное количество ячеек, приходящихся на один погонный дюйм, что определяет номер сита. Под номером зерна принято понимать номер сита, через которое данные зерна прошли, прежде чем задержаться на следующем сите.

Для полировальных паст, полотен, лент, а также брусков используют микропорошки (М40—М5), размер зерен которых измеряют в микронах.

Связка. Режущая способность шлифовального круга зависит не только от материала зерен, но и от связую­щего материала. Основное назначение связки — закрепление абра­зивных зерен в инструменте и обеспечение высокой прочности круга. Связка также должна быть водостойкой, теплостойкой, устойчивой к агрессивным средам и дешевой. При неправильном выборе связки зерна не будут работать эффективно из-за разрушения связки и выпадения еще неизношенных зерен из рабочей поверх­ности круга.

В зависимости от сочетания пары абразивное зер­но— связка прочность их соединения может быть раз­личной.

Различают связки неорганического и органического происхождения.

К неорганическим связкам относится прежде всего керамическая. Ее достоинства: теплостойкость, водо­стойкость, стойкость к агрессивным средам. Недостат­ки: относительно высокая хрупкость, чувствительность к ударам. Обычный состав керамических связок: огне­упорная глина, полевой шпат, кварц, тальк, жидкое стекло и др.

Органические связки. Применяемые в промышленности ор­ганические связки – вулканитовые, бакелитовые, минеральные. Вулканитовая связка (В) содержит каучук и 30% серы и обеспечивает высокую эластичность кругов, что позволяет изготавливать отрезные круги толщиной до 0,5 мм диаметром до 150 мм. Скорость вращения кругов может достичь до 75 м/с. Недостатком кругов с вулканитовой связкой является их быстрое засаливание. Наиболее распространена бакелитовая связка (Б), основой которой яв­ляется фенолформальдегидная смола. Круги на основе бакелитовой связки прессуют в формах, после чего на­гревают для отверждения смолы. Особое достоинство ее — эластичность. Круги на бакелитовой связке успеш­но применяют при обдирочном и отделочном шлифова­нии, особенно при отрезании, фасонном шлифовании и шлифовании узких пазов и канавок.

Недостатки: относительно невысокая теплостойкость. При температуре 200—250°С прочность сцепления с зерном уменьшается. Эти связки менее стойки к агрес­сивным охлаждающим жидкостям. Для повышения прочности круга применяют текстолитовые прокладки, а иногда и металлические кольца.

Твердость круга. Твердость шлифовального круга или бруска характеризуется величиной силы, с которой связка удерживает абразивные зерна. ГОСТом предусмотрены семь классов твердости шлифовальных кругов: мягкие Ml, M2, МЗ; среднемягкие СМ1, СМ2; средние Cl, C2; среднетвердые СТ1, СТ2, СТЗ; твердые Т1, Т2; весьма твердые ВТ1, ВТ2; чрезвычайно твердые ЧТ1, ЧТ2.

Во время работы зерна круга тупятся, вследствие чего силы резания, действующие на каждое зерно, возрастают. В тот момент, когда сила, действующая на зерно, превысит силу, с которой оно удерживается связкой, зерно вырывается с поверхности круга и удаляется вместе со стружкой. После удаления зерна связка, оказавшаяся в непосредственном взаимодействии с обрабатываемой заготовкой, быстро стирается поверхностью заготовки, после чего на поверхность круга выступают новые острые зерна. Описанное явление называется самозатачиванием круга. При правильном выборе круга по твердости и правильном режиме шлифования круг работает с самозатачиванием.

Если выбран слишком твердый круг, то он засаливается, если слишком мягкий, то он будет интенсивно изнашиваться (осыпаться) и быстро потеряет свою форму. Обычно для мягких материалов выбирают твердый круг, а для твердых материалов — мягкий круг.

Структура круга. Под структурой абразивного инструмента понимают количественное соотношение объ­емов зерна, связки и пор характеризуется номером структуры. Различают три группы, включающие 13 номеров. С увеличением номера плотность круга уменьшается.

По структуре различают круги: плотной структуры 0…3 (60…56 % зерен), среднеплотной струк­туры 4…6 (54…48 % зерен), открытой структуры 7…12 (38…46 % зерен).

Маркировка абразивных инструментов. Каждый абразивный инструмент маркируют, для чего на одной из его нерабочих поверхностей (на его торце) обозначается род шлифующего материала, зернистость, твердость, род связки, структура, форма и размеры, а также наибольшая окружная скорость вращения. Например: 1) М44А40С26К5 расшифровывается так: материал монокорунд 44А, зернистость 40, твердость С2, структура 6, связка керамическая разновидности К5; 2) Э40СМ2К5 означает, что круг из электрокорунда, зернистость круга 40, твердость СМ2, связка керамиче­ская К, структура 5; 3) наиболее полная маркировка: Э60М2В6Д 200´3 ГОСТ 2424-75 50 м/сек: диск состоит из нормального электрокорунда, зернистостью № 60, мягкий 2, связка вулканитовая, структура № 6, диаметр 200мм, толщина 3мм, Vmax = 50 м/сек. 4) ЧАЗ ЭБ 40 СТ3 К5 – Челябинский абразивный завод, электрокорунд белый, зернистость круга 40, твердость СТ3, связка керамическая, структура – 5.

Процесс резания при шлифовании.  Шлифовальный круг можно рассматривать как многозубый инструмент, роль режущих зубьев которого выполняют входящие в состав круга абразивные зерна. Каждое зерно шлифовального круга за период его контакта с заготовкой срезает стружку очень малых размеров. Однако, вследствие огромного количества зерен в круге и большой скорости вращения, количество зерен, участвующих в работе в единицу времени, очень велико, и это дает возможность снимать при шлифовании значительные объемы металла.

Зерна шлифовального круга имеют самую различную форму, и поэтому вид и форма стружек, снимаемые различными зернами, будут также различными. При рассмотрении же шлифовальной стружки в микроскоп видим большое количество стружек различной формы и размеров. Кроме таких оформленных стружек, в шлифовальной стружке всегда имеется большое количество мелких комочков, образовавшихся вследствие стекания металлической стружки с частицами абразива. Этот вид стружки образуется при резании зернами, форма которых неблагоприятна для осуществления процесса резания.

Процесс резания при шлифовании сопровождается теми же явлениями, что и при резании металлическими инструментами.

При шлифовании образующаяся стружка и поверхность обрабатываемой заготовки нагреваются до высокой температуры (1000 … 1500 °С)

Для снижения температуры, а также с целью очистки пор круга, для осаживания пыли и удаления ее с поверхности детали. Процесс шлифования производится обычно с охлаждением струей жидкости, подводимой к зоне касания круга с обрабатываемой заготовкой.

Схемы  пришлифования. Наиболее распространено круглое внешнее шлифо­вание в центрах.

Шлифование с продольной подачей (рис. 5.24, а). Шлифовальный круг вращается с окружной скоростью V _K (м/с), которая является скоростью резания и опреде­ляется по формуле:

    V _к=π D _k n _k / (60∙1000),

где D _K — -диаметр круга, мм; n _к — число оборотов круга в минуту.