30. Особенности абразивного резания. Термодинамические условия в зоне резания.

Шлифование — процесс резания металлов, осуществляемый зернами абразивного, алмазного или эльборового материалов. Шлифованием можно обрабатывать практически любые материалы, так как твердость зерен абразива и алмаза очень велика. Зерна абразива скрепляются связкой в инструменты различной формы или наносятся на ткань (абразивные шкурки). Шлифование применяется чаще всего как отделочная операция и позволяет получать детали 7... 9-го и даже 6-го квалитета с шероховатостью Ra=0,63...0,16 мкм и менее. В некоторых случаях шлифование применяется при обдирке отливок и поковок, при зачистке сварных швов, т.е. как подготовительная или черновая операция. В настоящее время применяется глубинное шлифование для съема больших припусков. Процесс шлифования обладает некоторыми характерными особенностями. 1. Многопроходность способствует эффективному исправлению погрешностей формы и размеров деталей, полученных после предшествующей обработки. 2. Резание осуществляется большим количеством беспорядочно расположенных абразивных зерен, обладающих высокой микротвердостью (22...31 ГПа). Эти зерна, образующие прерывистый режущий контур, прорезают мельчайшие углубления, а объем металла, срезаемый в единицу времени, в этом случае значительно меньше, чем при резании металлическим инструментом. 3. Процесс срезания стружки отдельным абразивным зерном осуществляется на высоких скоростях резания (30...70 м/с) и за очень короткий промежуток времени (в течение тысячных и стотысячных долей секунды).

4. Абразивные зерна расположены в теле круга хаотически. Они являются многогранниками неправильной формы и имеют округленные радиусом р вершины. Округление это невелико (обычно р = 8...20 мкм), но его всегда надо учитывать, так как при микрорезании толщины слоев, снимаемых отдельными зернами, соизмеримы с р. С учётом этой особенности формы зерна установлены основные закономерности процесса микрорезания при работе любым абразивным инструментом. В процессе резания зерна имеют отрицательные передние углы, резко повышающие их механическую прочность и сопротивление действующим на них силам. 5. Большие скорости резания и неблагоприятная геометрия режущих зерен способствуют развитию в зоне резания высоких температур (1000...1500 °С). 6. Управлять процессом шлифования можно только за счет изменения режимов резания, так как изменение геометрии абразивного зерна, выполняющего роль резца или зуба фрезы, практически трудноосуществимо. Алмазные круги благодаря специальной технологии изготовления могут иметь преимущественную (требуемую) ориентировку алмазных зерен в теле круга, что обеспечивает более благоприятные условия резания. 7. Абразивный инструмент может в процессе работы самозатачиваться. Это происходит, когда режущие грани зерен затупляются, что вызывает увеличение сил резания, а следовательно, и сил, действующих на зерно. В результате затупленные зерна выпадают, вырываются из связки или раскалываются, и в работу вступают новые острые зерна. 8. Шлифованная поверхность образуется вследствие одновременного действия как геометрических факторов, характерных для процесса резания, так и пластических деформаций, сопровождающих этот процесс. Особенности теплообмена при шлифовании. Процесс шлифования характеризуется высокими температурами в зоне резания, которые служат причиной появления структурно измененных слоев шлифуемой детали и больших остаточных напряжений. Образующаяся теплота воздействует также на абразивный круг, в результате чего быстро затупляются абразивные зерна, выгорают органические связки, увеличивается износ и снижаются режущие свойства круга. При шлифовании почти вся механическая мощность микрорезания преобразуется в тепловую и лишь незначительная часть мощности (десятые доли процента) переходит в скрытую энергию изменений кристаллической решетки обрабатываемого материала. Вся тепловая энергия распределяется между деталью, кругом, стружкой и охлаждающей средой: Исследования показывают, что теплота, образующаяся при шлифовании, поглощается в основном обрабатываемой деталью (60...85 %), абразивным кругом (10...13 %) и стружкой (до 30 %). Указанные соотношения могут изменяться в зависимости от вида шлифования, физико-механических свойств обрабатываемого материала, характеристик крута, методов подвода СОЖ и т.д. Время контакта единичного зерна крайне мало. Практически так же мало реальное время его остывания, которое в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем полное время остывания. Например, для круга диаметром 500 мм, зернистостью 25, вращающегося с частотой 1400 об/мин, время контакта единичного зерна с деталью равно 9*10^-7 с, а возможное время остывания — 0,043 с. Сопоставляя времена, легко объяснить факт, что круг при шлифовании всегда остается холодным. В связи с высокой температурой шлифования на обработанной поверхности могут образоваться шлифовочные прижоги, трещины и другие дефекты, снижающие эксплуатационные свойства деталей, поэтому температурный фактор в процессе шлифования приобретает значение основного. При шлифовании различают: мгновенную температуру, развивающуюся в зоне микрорезания абразивным зерном и являющуюся высокой и кратковременной; контактную , устанавливающуюся в зоне контакта круга с деталью; среднюю, устанавливающуюся на всей обработанной поверхности. Мгновенную температуру экспериментально измерить крайне трудно, однако с известным приближением ее можно определить косвенным путем, например по структурным превращениям в тончайших граничных слоях шлифуемой детали. При абразивном шлифовании прочных материалов (закаленных сталей и др.) с высокими режимами резания, когда нагрузка на зерна значительна, мгновенная температура может достигать температуры плавления обрабатываемого материала. О высоких мгновенных температурах, развивающихся при шлифовании достаточно прочных материалов, наглядно свидетельствует поток искр, наблюдаемый даже при наличии обильного охлаждения. Такие температуры повышают пластичность обрабатываемого металла и этим благоприятствуют процессу снятия стружек при микрорезании. Контактная температура меньше мгновенной (особенно при наличии охлаждения) в связи с интенсивным теплоотводом из зоны шлифования в деталь. Интенсивность процесса охлаждения объясняется тем, что нагретый наружный слой детали очень тонкий, а большая масса нижнего слоя имеет низкую температуру. Теплоотвод усиливается при увеличении размеров шлифуемых деталей, зоны контакта круга с деталью, теплопроводности связки и шлифующих зерен, теплоемкости СОЖ и т.д. Средняя установившаяся температура поверхности ниже контактной температуры, и она влияет в основном на точность линейных размеров и формы детали. При абразивном шлифовании средняя температура детали изменяется в пределах 20...350 °С, контактная — в пределах 200...1100 °С и мгновенная — от 1000°С до температуры плавления обрабатываемого металла. Как возникновение, так и распределение теплоты в процессе шлифования зависят от всех условий обработки: характеристики круга, элементов режима резания, механических и теплофизических свойств материала детали, свойств СОЖ и др. При увеличении нагрузки на зерно в зоне его работы выделяется большее количество теплоты в единицу времени, и это обеспечивает рост температуры. Нагрузка на зерно возрастает при увеличении окружной скорости детали и подач (поперечной и продольной). С ростом скорости шлифовального круга температура поверхности шлифуемой детали уменьшается, о чем свидетельствует опыт скоростного шлифования. Падение температуры вызвано тем, что с увеличением скоростей резания уменьшается время контакта круга с деталью и улучшаются условия теплоотвода. При увеличении твердости, плотности структуры и зернистости шлифовального круга температура возрастает, поскольку при таких условиях шлифования в единицу времени снимается большее количество стружек, т.е. затрачивается большая работа, а на удаление затупившихся зерен твердого круга также необходимо затрачивать больше усилий.

Увеличение размеров шлифуемой детали способствует более интенсивному отводу теплоты. Это необходимо учитывать, особенно при шлифовании деталей из закаленных сталей, теплопроводность которых после закалки снижается, а также при шлифовании деталей из легированных сталей. Детали, имеющие меньшие диаметр и массу, хуже отводят теплоту, поэтому поверхности их больше склонны к возникновению прижогов и образованию трещин.Температура при шлифовании снижается как при уменьшении мощности источников теплообразования, так и при повышении интенсивности теплоотвода.