Основы шлифования металлов:происхождение, режущая способность и отраслевая информация

В этой статье мы обсудим следующее:1. Введение в шлифование 2. Происхождение шлифования 3. Режущее действие при шлифовании 4. Механика режущего действия при шлифовании 5. Температура при шлифовании 6. Характеристики самозатачивания шлифовального круга 7. Остаточные напряжения при шлифовании 8. Причины слишком быстрого изнашивания круга 9. Причины затирания круга 10. Эксплуатация Условия и другие подробности. 

Содержание:

1. Введение в шлифовку
2. Происхождение измельчения
3. Режущее действие при шлифовании
4. Механика режущего действия при шлифовании
5. Температура при измельчении
6. Характеристики самозатачивания шлифовального круга
7. Остаточные напряжения при шлифовании
8. Причины слишком быстрого износа колес
9. Причины запотевания колес
10. Условия эксплуатации
11. Использование смазочно-охлаждающей жидкости во время шлифования
12. Безопасность при измельчении
13. Ошибки шлифовки
14. Термический эффект шлифования
15. Факторы, влияющие на шероховатость поверхности при шлифовании
16. Устранение неполадок при шлифовке

1. Введение в шлифовку:

Шлифование также можно рассматривать как процесс механической обработки, т.е. процесс удаления металла, но сравнительно в меньшем объеме. Шлифовать означает «шлифовать», стирать «трением» или «затачивать». При шлифовании материал удаляется с помощью вращающегося абразивного круга. Действие шлифовального круга очень похоже на действие фрезы.

Круг состоит из большого количества режущих инструментов, состоящих из выступающих абразивных частиц в шлифовальном круге. При рассмотрении удаленного материала под микроскопом можно увидеть отчетливые удлиненные металлические сколы размером от 0,4 до 0,8 мм.

В настоящее время шлифование в основном применяется в следующих целях:

(i) Удалить очень небольшое количество металла с заготовки, чтобы привести ее размеры в очень жесткие допуски после выполнения всех операций черновой отделки и термообработки. Таким образом, по сути, это процесс отделки, используемый для достижения высокой размерной и геометрической точности.

(ii) Иногда его используют для получения более качественной отделки поверхности.

(iii) Иногда его используют для обработки твердых поверхностей, которые иначе трудно обработать инструментами из быстрорежущей стали или твердосплавными фрезами.

(iv) Он также используется для заточки режущих инструментов.

(v) Он также используется для шлифования резьбы, чтобы обеспечить более строгие допуски и лучшую отделку.

(vi) Иногда его также применяют для более высоких скоростей съема материала (абразивная обработка).

Шлифование – один из чрезвычайно важных процессов в производственном труде. Он обладает определенными преимуществами по сравнению с другими процессами резки.

Некоторые преимущества:

(i) Он очень подходит для резки закаленной стали и т. д. Детали, требующие твердой поверхности, сначала обрабатываются в отожженном состоянии, при этом лишь небольшое количество материала остается на шлифование в зависимости от размера, формы и склонности материала к короблению во время операции термообработки.

(ii) Чрезвычайно гладкая поверхность, желательная на контактных и опорных поверхностях, может быть получена только путем шлифования из-за большого количества режущих кромок на шлифовальном круге.

(iii) Следов от подачи нет, поскольку колесо имеет значительную ширину.

(iv) Очень точные размеры и более гладкая поверхность могут быть достигнуты за очень короткое время.

(v) Сложные профили можно точно изготавливать с помощью относительно недорогих шаблонов для правки.

(vi) Для этого процесса требуется очень небольшое давление, что позволяет использовать его для очень легких работ, которые в противном случае имели бы тенденцию выскакивать из инструмента. Эта характеристика позволяет использовать магнитный кусок для удержания заготовки во многих операциях шлифования.

(vii) Абразивы имеют очень высокую твердость; менее чувствительны к теплу по сравнению с другими материалами и могут выдерживать высокие температуры. Таким образом, с ними можно работать на более высоких скоростях резания. Шлифовальные круги обладают свойствами самозатачивания за счет высвобождения потускневших зерен и обнажения новых острых.

(viii) Измельчение является удобным методом удаления материала из материалов после затвердевания.

(ix) В отличие от обычной механической обработки шлифование не требует прорезания твердой оболочки поковок и т. д.

2. Происхождение помола:

На ранних этапах «долото» считалось наиболее удобным инструментом для удаления металла. У долота только одна режущая кромка, и им можно удалить больше материала, но с очень плохой отделкой. Чтобы лучше обрабатывать материалы, человек начал использовать напильник. В файле имеется несколько режущих кромок.

При этом удаляется меньше материала, но можно получить более качественную отделку. С развитием технологий долото было заменено одноточечным режущим инструментом, чтобы обеспечить контролируемое удаление металла, а операция удаления металла выполняется на различных станках, таких как токарные, формовочные, фрезерные станки и т. д.

Аналогичным образом, чтобы контролировать съем металла и получить лучшую отделку с помощью многорежущего инструмента, используется шлифование. Процесс шлифования приводит к повышению геометрической точности детали (± 0,02 мм) и улучшению качества поверхности (0,1 мкм Ra).

3. Режущее действие при шлифовании:

Из рис. 20.1 видно, что шлифовальный круг состоит из абразивных частиц, связующего материала и пустот. Выступающие абразивные частицы действуют как кончики режущего инструмента и удаляют металл. Правильно выбранный шлифовальный круг обладает самозатачивающимся действием.

По мере резки абразивные частицы на режущей кромке затупляются и в конечном итоге растрескиваются вдоль плоскостей скола из-за сопротивления, оказываемого материалом заготовки, который сопротивляется режущему действию. Таким образом создаются новые режущие точки, которые осуществляют дальнейшее режущее действие.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока абразивные зерна не изнашиваются до уровня связки. В этот момент связь позволяет остаткам изношенных зерен оторваться от круга, обнажая новые зерна, которые ранее находились под поверхностью круга, и новые зерна выполняют дальнейшее режущее действие.

Две проблемы, которые часто возникают либо из-за неправильного выбора шлифовального круга, либо из-за неправильных условий резания, — это засаливание круга и нагрузка на круг. Глазурование круга относится к состоянию, когда зерна изнашиваются до уровня сцепления и удерживаются слишком долго для эффективной резки. Это происходит из-за использования жесткого круга (круга с высокой прочностью сцепления и слишком мелким зерном).

Проблему можно устранить, заменив круг, а иногда и изменив условия резания. Нагрузка круга возникает, когда стружка заготовки попадает в режущую поверхность круга, тем самым снижая скорость резания, поскольку уменьшается глубина проникновения. Это происходит из-за слишком маленьких пустот и может быть устранено путем увеличения скорости вращения колеса или даже использования другого колеса.

Таким образом, выбор шлифовального круга для правильного, непрерывного и эффективного резания требует правильного выбора типа абразива, размера зерен, типа связующего вещества и его прочности, а также размера пустот. Кроме того, на поведение шлифовального круга влияют материал заготовки, скорость резания, глубина резания и скорость подачи.

Хотя алмаз и является самым твердым материалом, но из-за его высокой стоимости его применение ограничено. Al2O3, SiC и B4C обладают высокой твердостью по сравнению с закаленной сталью и поэтому могут использоваться для удаления металла путем пластической деформации. Можно отметить, что материал режущего инструмента должен быть более твердым для удаления материала за счет пластической деформации, а также для сохранения его формы и меньшего износа.

Поскольку из этих материалов невозможно придать режущему инструменту обычную форму, используют их в виде зерен, в том виде, в котором они имеются в натуральном виде. Зерна этих материалов (абразивов) связаны каким-либо связующим материалом в форме круга. Абразивные зерна на поверхности круга действуют как режущие кромки. Они распределены случайным образом и ориентированы случайным образом.

4. Механика режущего действия при шлифовании:

На рис. 20.2 (а) показано режущее действие зерен в процессе измельчения. Для упрощения можно считать все зерна одинаковыми.

На рис. 20.2 (б) представлен развернутый вид схемы образования стружки при плоском шлифовании. Поперечное сечение неразрезанной стружки оказывается приблизительно треугольным, имеющим толщину t и ширину w. Однако неразрезанная толщина и ширина варьируются, и пусть их максимальные значения равны tmax и wmax. Среднее значение может составлять половину от них. Средняя длина стружки l =D/2 x θ (D =диаметр шлифовального круга и θ очень мала)

Если f — это подача (типичное значение составляет от 0,2 до 0,6 м/сек), а W =ширина реза в мм, общий объем материала, удаляемого за единицу времени, =fdW

Средний объем одной фишки =f(1/6) wmax tmax l.

Если N — частота вращения шлифовального круга, ρ =поверхностная плотность в зернах/мм2, то количество активных зерен на границе круга и, следовательно, количество стружки, образующейся в единицу времени, =πNDW ρ.

Отсюда видно, что круг будет казаться мягче, если N, D или ρ уменьшится, или увеличится f или d, поскольку значение Fav увеличится и вызовет более частое смещение абразивных зерен. При плоском шлифовании радиальная сила FR =2F. (См. рис. 20.3)

5. Температура при измельчении:

При резке кончик абразивной частицы достигает очень высокой температуры. Однако серьезного нагрева круга не происходит, поскольку такая высокая температура сохраняется только в течение очень короткого времени, а градиент температуры на режущих зернах очень крутой.

Приблизительная теоретическая средняя температура интерфейса стружки/инструмента определяется по формуле:

∴ При тонком шлифовании температуру стружки/инструмента можно снизить, уменьшив скорость круга и толщину стружки.

При обычном шлифовании температуру можно снизить за счет снижения скорости круга, но не за счет уменьшения толщины стружки. Фактически, легкие чистовые резы могут привести к термическому повреждению.

При использовании жидкости при шлифовании не только снижается температура заготовки и снижается износ круга, но и меньше нагружается круг, что снижает частоту правки круга. Однако жидкость не может предотвратить повреждение поверхности заготовки из-за высокой мгновенной температуры.

6. Характеристики самозатачивания шлифовального круга:

В шлифовальном круге режущие инструменты (острия) имеют неправильную форму и расположены хаотично. Острые кромки по периферии круга участвуют в процессе снятия материала и постепенно затупляются, т. е. изнашиваются (тупятся). Из-за больших сил, воздействующих на них во время обработки, они либо ломаются, образуя новую острую режущую кромку, либо застревают, и новые зерна под ней обнажаются и участвуют в удалении материала.

Этот процесс придает шлифовальным кругам свойства самозатачивания. Понятно, что прочность связи (называемая ее классом) определяет максимальную силу, которую может выдержать абразивное зерно, и это важная характеристика шлифовального круга. Колесо с прочной связью называется жестким.

Мелкая и горячая стружка, образующаяся в процессе шлифования, имеет тенденцию привариваться к кругу или заготовке. Кроме того, большое количество зерен может иметь большой отрицательный передний угол из-за случайной ориентации зерен, и они вместо резки могут тереться. Эти факторы делают процесс измельчения неэффективным и потребляют высокую удельную энергию.

7. Остаточные напряжения при шлифовании:

Температура на границе раздела зерна и стружки при измельчении достигает очень высокого значения (около 1500°С). Из-за высокой температуры могут произойти микроструктурные изменения из-за быстрого нагрева и закалки (из-за смазочно-охлаждающей жидкости). Термическое и механическое воздействие может затронуть поверхность земли на глубину около 0,2 мм.

Это приведет к развитию высоких остаточных растягивающих напряжений, и если они достигнут высоких значений, могут возникнуть поверхностные трещины. На рис. 20.7 показано, как остаточные напряжения могут возникать на различной глубине при разных скоростях вращения круга в заготовке после плоского шлифования. Можно предположить, что температура измельчения пропорциональна энергии, затрачиваемой на единицу площади поверхности земли,

Таким образом, температуру и дефекты, вызванные высокой температурой шлифования, можно уменьшить, уменьшив d, D, ρ или N или увеличив f.

Время, в течение которого зерно остается в контакте со стружкой:

что составляет порядка 0,0001 секунды.

Температура границы раздела зерен составляет:

где V =скорость поверхности колеса

R =теплопроводность рабочего материала

ρc =объемная удельная теплоемкость рабочего материала.

8. Причины слишком быстрого износа колес:

я. Слишком мягкий руль

ii. Слишком узкая поверхность колеса

iii. Слишком медленная скорость колеса

iv. Слишком высокая скорость работы

v. Перегруженность колеса

VI. Наличие отверстий или пазов в работе.

9. Причины запотевания колес:

я. Слишком жесткий руль

ii. Слишком мелкое зерно

iii. Слишком высокая скорость колеса

iv. Слишком медленная скорость работы

v. Колесо забито стружкой

10. Условия эксплуатации:

Правильный выбор различных условий эксплуатации очень важен для успеха любой операции шлифования.

Ниже приведены различные условия эксплуатации и их влияние на операцию шлифования:

(i) Скорость колеса:

Увеличение скорости круга (при постоянной скорости подачи) приводит к уменьшению размера стружки, удаляемой одним абразивным зерном, тем самым снижая износ круга. Более высокая скорость круга ограничивается конструкцией круга, типом связки, операцией шлифования, мощностью и жесткостью шлифовального станка и т. д. Скорость круга обычно варьируется от 20 до 40 м/сек в зависимости от типа связки и различных операций шлифования.

(ii) Скорость работы:

Увеличение скорости работы увеличивает износ круга, но уменьшает выделение тепла. Высокая скорость работы ограничена преждевременным износом колес и вибрациями, вызванными износом. Низкая скорость работы приводит к локальному перегреву, который деформирует/отпускает закаленную деталь и влияет на ее механические свойства.

Для уменьшения износа колес следует снизить скорость работы. Если выделяемое тепло увеличивается, происходит засорение, особенно при использовании твердых кругов, следует увеличить скорость работы. При черновой операции скорость работы варьируется от 11 до 50 м/мин, а при чистовой операции от 6 до 30 м/мин при круглом шлифовании. Скорость работы при внутреннем шлифовании варьируется от 15 до 30 м/мин, а при поверхностном шлифовании от 8 до 15 м/мин.

(iii) Лента:

Скорость съема материала увеличивается за счет увеличения скорости подачи или подачи, что приводит к увеличению износа круга и ухудшению качества обработки, что влияет на размерную и геометрическую точность.

Увеличение поперечной или поперечной подачи увеличивает износ круга и ухудшает качество поверхности. Обычно его значение устанавливают в пределах от 2/3 до 3/4 ширины круга в случае шлифования стали и от 3/4 до 5/6 ширины круга в случае заготовок из чугуна.

(iv) Область шлифовального контакта:

При большой площади контакта (как при внутреннем шлифовании, поверхностном и при больших диаметрах работы кругом малого диаметра) удельное давление низкое, и для непрерывного свободного резания используют круг из мягкого материала. Более крупное зерно используется для обеспечения достаточного зазора стружки между абразивными зернами. Колеса с более мелким зерном и более твердые используются, когда площадь контакта небольшая.

11. Использование смазочно-охлаждающей жидкости во время шлифования:

При контакте шлифовального круга и заготовки во время шлифования выделяется много тепла, большая часть которого передается заготовке. Шлифовальные жидкости помогают предотвратить чрезмерный нагрев заготовки и промыть круг.

Шлифовальные жидкости, содержащие добавки серы или хлора, помогают снизить силу резания, улучшить качество поверхности и увеличить срок службы шлифовального круга. Обычно для этой цели используются эмульсии на водной основе и шлифовальные масла в достаточном количестве (15-20 л/мин для обычного шлифовального станка среднего размера).

Жидкость направляется на поверхность раздела между кругом и заготовкой, чтобы создать между кругом и заготовкой пленку с низкой прочностью на сдвиг. Жидкость подается под давлением с помощью специальных форсунок, благодаря чему воздушная пленка вокруг поверхности колеса из-за высокой скорости проникает. Чтобы предотвратить засорение круга мелкими частицами, шлифовальная жидкость подвергается тонкой фильтрации.

12. Безопасность при шлифовании:

Любые небезопасные действия при шлифовании могут быть опасны для эксплуатации и заслуживают пристального внимания.

Различные важные аспекты:

(i) Установка шлифовальных кругов:

Колесо должно быть правильно установлено в шпинделе и закрыто защитным кожухом. Отверстие колеса не должно плотно прилегать к втулке.

(ii) Скорость колеса:

Максимальная скорость круга определяется пределом прочности круга на разрыв и зависит от используемого абразива, размера зерна, связки, структуры, марки, формы и размера круга. Его значение указано производителями и никогда не должно превышаться.

(iii) Проверка колес:

Колеса перед монтажом следует проверить на наличие повреждений при транспортировке, трещин и других дефектов. Тест на звон достаточно хорош для застеклованного соединения. Прочные колеса, при легком постукивании пластиковым молотком под углом 45° от вертикальной линии, звучат как чистый металлический звон, но треснувшее колесо не звенит.

Колеса, когда они не используются, следует хранить в сухом месте, положив их ребрами на стеллажи.

(iv) Колесные ограждения:

Их следует всегда использовать во время шлифования и периодически регулировать, чтобы компенсировать износ круга.

(v) Сбор пыли и меры предосторожности для здоровья:

При сухом шлифовании необходимо предусмотреть удаление шлифовальной пыли. Защитные крышки машины никогда не следует снимать во время ее использования. Оператор должен носить защитные приспособления для защиты глаз и тела от летящих абразивных частиц и пыли.

(vi) Работа колеса:

Для шлифовальных станков необходима достаточная мощность. Если мощности недостаточно, колеса будут замедляться и образовывать плоские пятна, что приведет к разбалансировке колеса.

Во время мокрого шлифования круг не следует погружать в воду частично, так как это может серьезно нарушить баланс круга.

13. Ошибки шлифовки:

Две распространенные неисправности, возникающие из-за неправильного выбора круга или неправильных условий шлифования:

(i) Загрузка и

(ii) Остекление.

Нагружение происходит при засорении промежутков между абразивными зернами частицами шлифуемого металла. Поскольку такие зерна не выступают достаточно, чтобы способствовать эффективному резанию. Возникает при шлифовании мягких металлов кругами открытой конструкции. Остекление легко узнать по блестящему виду на поверхности колеса.

Это происходит из-за того, что абразивные зерна затупляются и не отрываются от связки. Это происходит, когда колеса слишком твердые для измельчаемого материала. Остекление можно уменьшить за счет увеличения скорости колеса или работы.

Качество поверхности и требуемая удельная мощность также могут быть включены для оценки общей производительности шлифовального круга. В этом случае степень измельчения равна отношению количества измельченного материала к степени износа круга и произведению удельной мощности шлифования и чистоты поверхности испытуемого образца.

14. Термические эффекты измельчения:

В процессе шлифования между режущим инструментом и заготовкой выделяется много тепла. Основная часть тепла рассеивается в заготовке, а остальная часть сохраняется шлифовальным кругом.

Два термических эффекта шлифования:

1. Влияние на шлифовальный круг:

Из-за выделения тепла образуются трещины, называемые шлифовальными трещинами. Трещины перпендикулярны следам шлифовки.

2. Влияние на заготовку:

(а) Изменение цвета:

Окисление поверхностей происходит при температуре 200°C с образованием оксида металла. Эти оксиды имеют разные цвета в отличие от основного металла. Другими словами, можно сказать, что это приводит к обесцвечиванию заготовки. Выделение тепла происходит из-за тусклых зерен, что приводит к обгоранию поверхности.

(б) Механические повреждения:

Из-за остроты зерен на металлической поверхности образуются царапины.

(c) Металлургический ущерб:

Из-за выделения тепла на поверхности образуются хрупкие трещины.

(d) Химическое повреждение:

В результате выделения тепла образуются химические оксиды.

15. Факторы, влияющие на шероховатость поверхности при шлифовании:

Шероховатость поверхности при шлифовании зависит от шлифовального круга (его диаметра, абразива, твердости, правки, износа) и условий шлифования (частоты вращения круга, скорости заготовки, продольной подачи, диаметра заготовки). Рис. 20.14 показано изменение шероховатости поверхности при шлифовании при изменении различных параметров.

16. Устранение неполадок при шлифовании:

Ниже приведены различные неисправности, которые могут возникнуть при шлифовании, и различные решения по их устранению:

(i) Быстрый износ колес:

Об этом можно позаботиться:

(a) Использование более жесткого колеса,

(б) Увеличение скорости колеса,

(c) Уменьшение скорости перемещения и рабочей скорости, а также незначительное уменьшение глубины резания.

(ii) Остекление колес:

Это происходит из-за неправильной правки, неправильного выбора круга, использования медленного хода и высокой скорости работы. Эту проблему можно решить, поддерживая остроту круга, используя более мягкий круг или более грубую зернистость, уменьшая скорость круга и быстрый ход, увеличивая глубину подачи и увеличивая глубину резания.

(iii) Следы болтовни:

Об этом можно позаботиться:

(а) Правильная балансировка колеса,

(б) Использование надлежащего инструмента для правки,

(c) Использование более мягкого или более крупного зерна,

(г) Снижение вибрации машины путем проверки подшипников и фундаментов, а также регулировки подшипников шпинделя,

(e) Натяжной ролик,

(f) Использование подходящих опор или зажимов для больших работ.

(iv) Грубая обработка:

Это может быть связано с использованием слишком грубого или слишком мягкого круга.

(v) Нагрузка на колесо:

Это можно решить, используя колесо с более мягкой или пористой структурой; используя более острый инструмент и обильное количество чистой охлаждающей жидкости. Из-за загрязненной охлаждающей жидкости могут возникнуть следы неправильной формы разной длины и ширины. Глубокие неровные следы возникают из-за незакрепленных фланцев колес.

(vi) Перегрев заготовки:

Это происходит из-за неправильного выбора колеса. Чтобы преодолеть эту проблему, следует использовать более мягкое колесо и использовать достаточное количество охлаждающей жидкости.



Знакомьтесь:Константин Бруннбауэр – участник SCB и отраслевой эксперт Роль Филадельфии в космической экономике стоимостью 1 триллион долларов:стратегический план