АБРАЗИВНО-АЛМАЗНАЯ ОБРАБОТКА

САМОЗАТАЧИВАЕМОСТЬ, ИЗНОС И СТОЙКОСТЬ

Абразивные и алмазные инструменты в отличие от металличе­ских обладают свойством восстанавливать режущую способность в процессе работы в результате обламывания, выкрашивания и даже вырывания целых зерен. Поэтому суммарная длина контакта режущих кромок зерен с поверхностью в течение процесса шлифования все время меняется, что, в свою очередь, вызывает в каждое мгновение различную суммарную работу, совершаемую зернами абразивного и алмазного инструмента.

В зависимости от характеристики абразивных и алмазных ин­струментов и условий работы (обрабатываемый материал, режим шлифования, применяемый для обработки станок и т. п.) это свойство самозатачиваемости проявляется по-разному и опреде­ляет величину показателей работы и в первую очередь стой­кость инструмента между правками. Под стойкостью пони­мается измеряемая во времени работоспособность абразивного инструмента между двумя правками или машинное время его работы. Под правкой понимается принудительное затачивание рабочей поверхности, совершаемое специальными правящими инструментами.

Чем больше и равномернее самозатачиваемость, тем больше стойкость абразивного и алмазного инструмента. Это положение является общим правилом почти для всех видов шлифования. При резьбошлифовании стойкость круга зависит в большей сте­пени от стойкости его режущей кромки, чем от самозатачивания всей его режущей поверхности. При сильном, но неравномерном самозатачивании круга его стойкость снижается.

Наибольшим самозатачиванием обладают абразивные инстру­менты, имеющие невысокую степень твердости (мягкие и средне­мягкие) и работающие при тяжелых режимах резания, особенно на обдирочных и плоскошлифовальных работах торцом круга, а также алмазные круги на органических связках из синтетиче­ских алмазов марок АСО и АСП.

Самозатачивание наступает, когда силы резания превосходят прочность зерен или силу их сцепления со связкой. В абразивном и алмазном инструменте имеются зерна различной формы и часть из них имеет трещины, раковины и другие дефекты, что способ­ствует их обламыванию. Зерна соединяются со связкой и друг с другом с разной величиной соприкосновения и разным коли­чеством связки и поэтому для вырывания их из тела круга тре­буются разные силы. Часть зерен, особенно карбида кремния, совершенно не скреплены между собой связкой или скреплены настолько слабо, что достаточно небольших сил для их вырыва­ния и некоторого обновления режущей поверхности. Этому спо­собствует также разновысотность расположения зерен относи­тельно обрабатываемой детали.

Износ круга является результатом ударов и трения зерен о шли­фуемый материал, вследствие чего происходит разрушение связки и самих зерен. При разрушении зерен карбида кремния получаются более крупные осколки, чем при разрушении зерен электроко­рунда, вследствие чего износ кругов из карбида кремния больше. Это явление вызывается тем, что для разрушения зерен карбида
кремния должна быть приложена меньшая сила, чем для зерен электрокорунда, примерно на 20%.

Абразивный круг в процессе шлифования изнашивается сле­дующим образом. Сначала выпадают плохо закрепленные зерна, а у хорошо закрепленных зерен происходит истирание работаю­щих граней; затем, по мере увеличения степени затупления и воз­растания сил резания, происходит скалывание частиц этих зерен и снова истираются образовавшиеся новые грани и т. д. При ска­лывании с вершины зерна частиц размером 0,03—0,05 мм шли­фование этим зерном за данный период стойкости прекращается, так как глубина шлифования обычно не превышает этой величины.

Это говорит о том, что в процессе шли­фования скалываются и частицы мень­шей величины. Зерна,ориентированные к обрабатываемой поверхности гранями с тупыми углами, скорее выкрашива­ются, причем облом происходит по наи­более слабым местам зерна. Износ и налипание при шлифовании кругами из карбида кремния чугунных деталей меньше, чем стальных.

Таким образом, износ и стойкость круга зависят как от обрабатываемого материала и режима работы, так и от расположения зерен. Износ зерен возрастает с увеличением ско­рости круга и глубины резания: он больше при работе с охлаж­дением эмульсией, чем при работе всухую, и меньше при охлаж­дении маслом вследствие уменьшения работы трения. Соотношение износа круга и съема металла за период стойкости может быть выражено кривыми (рис. 28), из которых видно, что начальный износ круга после правки значительно больше, чем к концу пе­риода стойкости, а наиболее высокий съем металла в середине этого периода.

Чем больше коэффициент трения между обрабатываемым мате­риалом и кругом, тем больше износ круга. Поэтому, например, при шлифовании нержавеющей стали на режущих поверхностях зерен появляются большие площадки износа, чем при шлифовании конструкционных сталей, коэффициент трения у которых меньше.

Характер ^износа алмазных кругов такой же, как и абразив­ных, но Ту кругов из синтетических алмазов на органических связках ^скалывание зерен происходит чаще, а образуемые пло­щадки износа на вершинах зерен несколько меньше.

При шлифовании титановых сплавов режущие поверхности зерен получают зазубренную форму, что дает основание предпо­ложить наличие диффузионного износа зерен и сплава в результате высокой температуры контакта и химического взаимодействия между зерном, связкой и сплавом. Установлено также, что при
шлифовании стали кислород воздуха, окисляя обработанную по­верхность и снимаемую стружку, способствует ускорению износа абразивных зерен.

При шлифовании деталей из жаропрочных сплавов стойкость кругов в 15—20 раз ниже, чем при обработке детален из конструк­ционных сталей. Стойкость зависит также от метода и режима правки. Если с абразивного инструмента при правке снять не­большой слой, то его стойкость будет ниже, чем при съеме не­сколько большего слоя. Опытом установлено, что при правке следует снимать слой не меньше 0,05 мм. Это не распространяется на автоматическую правку.

На кромках абразивных инструментов зерна закреплены менее прочно, вследствие чего абразив­ные инструменты изнашиваются быстрее именно в этих местах. Поэтому круги при всех видах шли­фования, и особенно при круглом и плоском шли­фовании, периферией круга изнашиваются нерав­номерно (рис. 29). Чем больше подачи, тем больше неравномерность износа. Поэтому резьбошлифо­вальные круги, круги для шлифования шеек ко­ленчатых валов и т. п. имеют меньшую стойкость.

Стойкость зависит от износа абразивного и алмазного инструмента. Она уменьшается с увели­чением износа при работе абразивного и алмазного инструмента "с затуплением и увеличивается при его работе с самозатачиванием. На стойкость влияют размеры абразивного инструмента. Она больше у кругов больших диаметров и ширины, чем у кругов малых диаметров, так как в этом случае зерна реже участвуют в работе вследствие меньшего числа оборотов при одинаковой скорости шлифования. Стойкость также выше при шлифовании деталей больших диамет­ров и имеющих прерывистую поверхность. Стойкость зависит от всех факторов шлифования, вида и количества охлаждающей жидкости, режима шлифования и от того, какой из элементов режи­ма преобладает (глубина резания, величина продольной подачи, скорость детали), от характеристики круга и, в частности, от его структуры. Так, при плоском шлифовании круги с открытой струк­турой имеют более высокую стойкость, чем круги той же характе­ристики с плотной структурой. Чем выше требования к качеству поверхности и мельче зернистость кругов, тем меньше стойкость.

При определении стойкости по числу обработанных деталей стойкость определяется прежде всего припуском, снимаемым при шлифовании этих деталей. Чем больше припуск, тем меньше стой­кость. Стойкость зависит от состояния станка: чем он исправнее, тем больше стойкость.

При точении стойкость резца тем меньше, чем выше скорость резания. При шлифовании, наоборот, стойкость как правило, уве­личивается с повышением скорости резания, так как сечение сни­маемой одним зерном стружки уменьшается. Так, при шлифова­нии шатунных шеек коленчатых валов было установлено, что при работе кругом диаметром 1100 мм со скоростью 34 м/сек стойкость круга между правками равнялась шести валам. При шлифовании этим же кругом со скоростью 23 м/сек стойкость круга снизилась до двух валов. Разница в поведении резца и абразивного инстру­мента объясняется их разной теплостойкостью и условиями работы.

Круги из монокорунда и белого электрокорунда имеют, как правило, особенно при чистовом шлифовании, более высокую стойкость (в 1,5—2 раза), чем круги из электрокорунда и карбида кремния, вследствие чего износ их меньше. Так, круги из моно­корунда изнашиваются при тех же условиях на 30% меньше электрокорундовых кругов.

В большинстве случаев шлифования самозатачиваемость на­блюдается или в малой степени (у мягких и среднемягких кругов), пли почти совсем не проявляется, так как возникающие силы резания являются не всегда достаточными для скалывания и вы­рывания затупившихся зерен. В этих случаях шлифование через некоторое время после правки осуществляется затупленным абра­зивным инструментом, вследствие чего расход мощности возра­стает. При этом силы резания возрастают и часть менее прочных и слабо закрепленных зерен самозатачивается, вследствие чего резание совсем не прекращается, и постепенно ухудшается. С увеличением скорости круга явление самозатачиваемости про­является больше, вследствие чего возрастает и стойкость круга.

Затупление круга является результатом истирания зерен. Хотя путь, проходимый каждым зерном за время его работы, весьма невелик, скорость работы зерна значительна, что и опре­деляет его износ. Износ зерен в результате истирания достигает за период стойкости круга 0,05 мм и более. Затупление круга чаще всего характеризуется образованием на его кромках закруг­лений и на выступах зерен гладких площадок; при этом поры и частично зерна, даже острые, забиваются прилипшей к ним стружкой. Затупление круга вместе с тем сопровождается умень­шением его износа и съема металла.

Не следует смешивать засаливание круга с затуплением. Засаливание может происходить и при острых зернах круга, если стружка застревает в порах круга, а также когда для шлифования выбран круг не той структуры, которая требуется для данной работы. Засаливание также зачастую является следствием недо­статочного охлаждения, неправильного выбора твердости и зер­нистости круга и пр. Засаливание круга снижает его стойкость, вызывает дробление, вибрации и другие пороки. По мере засали­вания и затупления круга возрастает величина отжатия. Для уменьшения отжатия иногда увеличивают глубину резания, чтобы таким путем сколоть или вырвать затупившиеся зерна и вызвать 92

самозатачивание круга. Однако это не всегда приводит к желаемым результатам. Поэтому при увеличении отжатия выгоднее произ­вести правку круга, чем тратить время на выхаживание (шлифо­вание без подачи на глубину)

При большом затуплении зерен возникает неравномерный износ и волнистость круга, приводящие к появлению огранности на шлифуемой детали.

При шлифовании алмазными кругами, особенно на металличе­ской связке, засаливание также выражается в забивании пор круга снимаемой стружкой, что ухудшает резание, увеличивает удельный расход круга и опасность возникновения трещин на шлифуемой поверхности вследствие резкого повышения темпера­туры. Алмазные круги на металлических связках необходимо более часто править, чем круги на органических связках.

Самозатачивание абразивного и алмазного инструмента и его износ позволяют вступать в работу новым режущим кромкам и зернам, находившимся в начальный период работы вне зоны шлифования, т. е. на большем, чем фактическая глубина резания, расстоянии от режущей поверхности абразивного инструмента. Чем вязче обрабатываемый металл и тверже абразивный инстру­мент, тем больше склонность его к затуплению и засаливанию.

Стружка, получаемая при шлифовании вязких металлов (жаро­прочные сплавы, алюминий, медь, бронза и т. п.), не обладает необходимой упругостью и потому легче сцепляется с зернами круга и сплющивается на зернах круга или между ними при последующих его оборотах, создавая явление налипания, которое также может быть отнесено к засаливанию, так как уменьшает режущую способность и стойкость круга. Чем больше очагов нали­пания возникает на рабочей поверхности круга, тем быстрее круг теряет режущую способность, возникает большее трение и тепло­выделение, больше опасность возникновения прижогов и дробле­ния, меньше стойкость круга. Это явление в значительной степени напоминает явление образования нароста металла на резце при точении, фрезеровании и т. п., который возникает при несвобод­ном резании, особенно в условиях обработки пластичных метал­лов с большим трением при температурах свыше 300 С. При шли­фовании такой слой металла сцепляется с зернами круга настолько прочно, что для удаления его шлифовальный круг необходимо править. При шлифовании чугунных деталей налипания не про­исходит, так как способность круга к свариванию очень низкая.

Мелкозернистые круги изнашиваются медленнее, чем крупно­зернистые, так как могут выдерживать значительно большие давле­ния. На каждое зерно мелкозернистого круга приходится во столько раз меньшее удельное давление, во сколько раз число одновременно работающих зерен больше, а оно, например, у круга зернистости № 5 в 60—70 раз больше, чем у круга зернистости № 40. В связи с этим при шлифовании мелкозернистыми кругами резко возрастает число снимаемых стружек и расход мощности на еди­ницу объема снятого металла значительно повышается.

Крупнозернистые и высокопористые абразивные инструменты обладают более высокой степенью самозатачиваемости, чем та­кие же инструменты с плотной структурой и мелкозернистые. Абразивные инструменты на вулканитовой и бакелитовой связках лучше самозатачиваются, чем инструменты на керамической связке, и поэтому имеют, как правило, большую стойкость. Стойкость в зависимости от условий применения абразивного инструмента колеблется в очень больших пределах; например, стойкость кругов для внутреннего шлифования при разных работах изменяется от 0,5 до 30 мин. При круглом наружном шлифовании она состав­ляет от 7 до 80 мин, при бесцентровом шлифовании на проход от 30 до 300 мин, при бесцентровом шлифовании методом врезания от 7 до 70 мин и т. д.

От самозатачиваемости зависит не только стойкость, но и про­изводительность, расход абразивного инструмента, а также дру­гие технико-экономические показатели шлифования. Чем больше сила Р_у, тем быстрее и интенсивнее происходит самозатачивание, чем меньше сила Р_у, тем больше вероятность работы круга с за­туплением. Возможность самозатачивания круга повышается с уве­личением глубины резания и скорости детали и с уменьшением числа зерен в круге, т. е. с повышением степени зернистости и скорости круга.

Чем больше самозатачиваемость абразивного инструмента, тем больше его удельный износ и правка необходима реже. Съем металла в единицу времени при этом повышается.

Износ кругов при шлифовании составляет очень малую долю общего расхода кругов; на правку же расходуется до 95% рабо­чего объема кругов и больше, особенно при правке заменителями алмазов.

Только при обдирочном круглом и плоском шлифовании, при разрезке, при шлифовании шариков и в некоторых других спе­циальных случаях шлифования износ кругов составляет от 50 до 90% от их рабочего объема. В этих случаях самозатачивание является результатом износа кругов в процессе шлифования.

Круги сильно изнашиваются также при шлифовании жаропроч­ных сплавов. При этом часто наблюдается налипание сплава, вследствие его большой вязкости, на зерна круга. Поэтому для шлифования многих жаропрочных сплавов применяют круги из карбида кремния, зерна которого легче выкрашиваются и скалы­ваются, уничтожая таким путем налипание и создавая самозата­чиваемость круга. Стойкость и износ круга зависят не только от условий работы, но и от типа связки, твердости и зернистости. Так, круги на бакелитовой связке при тех же условиях работы изнашиваются быстрее, чем круги на керамической связке, осо­бенно круги твердостей М3—СМ2. Износ этих кругов выше при 94

работе с охлаждением, особенно керосином или маслом, в резуль­тате снижения твердости круга под влиянием охлаждающей жидкости, чем при работе всухую. Износ зерен при работе с охла­ждением водными эмульсиями больше, чем при охлаждении масляными растворами.

Между твердостью и износом абразивных инструментов суще­ствует почти такая же зависимость, как между твердостью и глу­биной лунок, получаемых при измерении твердости. С увеличе­нием степени твердости удельный износ уменьшается, а с возра­станием степени зернистости увеличивается. Удельный износ уменьшается с увеличением времени шлифования и возрастает с увеличением степени пористости. При шлифовании деталей малых диаметров удельный расход кругов больше, чем при шли­фовании деталей больших диаметров, поэтому при шлифовании, например, деталей, диаметром до 25—50 мм выбирают более твердые круги. При увеличении диаметра круга износ его умень­шается.

Крупнозернистый абразивный инструмент изнашивается бы­стрее, чем мелкозернистый, что объясняется большими силами резания, которые возникают при работе крупнозернистым инстру­ментом, так как режимы работы в этих случаях всегда выше. При увеличении скорости детали, при той же скорости круга, износ повышается. Увеличение поперечной и продольной подач понижает стойкость круга и увеличивает его износ, хотя съем металла в единицу времени при этом тоже увеличивается.

ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ

Абразивные и алмазные инструменты на всех связках и осо­бенно на керамической обладают высокой теплостойкостью, какой не имеют металлические и твердосплавные инструменты.

Красностойкость быстрорежущей стали 400° С, твердых спла­вов 600—900° С, керамических пластинок около 1200° С. С повы­шением температуры нагрева инструментов из этих материалов твердость их падает, что, очевидно, способствует их обрабатывае­мости.

Данные об изменении твердости по Виккерсу углеродистой и быстрорежущей стали, твердых сплавов и керамических пла­стинок при их нагревании, полученные Н. Ф. Казаковым, при­ведены в табл. 18.

Температура плавления электрокорунда около 2000° С. Таким образом, можно считать, что теплостойкость абразивного инстру­мента из электрокорунда близка к этой температуре. Теплостой­кость карбида кремния еще выше, так как температура его раз­ложения выше, чем температура размягчения электрокорунда. Однако с поверхности карбид кремния разлагается при более низкой температуре (около 900—1200° С). Твердость электроко- рундовых и карборундовых зерен при температурах, которые возникают в процессе шлифования, как правило, почти не изме­няется в связи с малым временем контакта, выражаемым в мил­лионных долях секунды.

Абразивные и алмазные инструменты не представляют собой монолитных тел, что способствует их высокой теплостойкости. Чем больше теплостойкость и красностойкость тем меньше изме­няется с повышением тепловыделения твердость резца, тем менее интенсивно протекает его износ.

Этим обстоятельством, а также большой разницей между твердостью зерен абразивного и алмазного инструмента и обраба­тываемых деталей и объясняется столь высокая износостойкость, которую имеют зерна абразивно-алмазных инструментов. Вместе с тем длительный нагрев при высокой температуре некоторых видов абразивного инструмента приводит к его разрушению. Так, длительный нагрев бакелитовых абразивных инструментов при температуре свыше 230° С в течение 4—5 ч значительно умень­шает их прочность.

Теплостойкость абразивных инструментов зависит также от состава связки. Так, введение идитола в связку бакелитовых и вулканитовых кругов и брусков способствует уменьшению тепло­стойкости связки и прочности связи зерен между собой, что до известной степени определяет способность самозатачивания и из­носостойкость абразивного инструмента.

Известно также, что теплопроводность кругов повышается с увеличением их твердости.