Основы шлифования: происхождение, режущее действие и отраслевые инсайты

В этой статье мы обсудим: 1. Введение в шлифование 2. Происхождение шлифования 3. Режущее действие в шлифовании 4. Механика режущего действия в шлифовании 5. Температура при шлифовании 6. Самоостреливание шлифового круга 7. Остаточные напряжения при шлифовании 8. Причины слишком быстрого износа круга 9. Причины заглаживания круга 10. Рабочие условия и другие детали.

1. Введение в шлифование
2. Происхождение шлифования
3. Режущее действие в шлифовании
4. Механика режущего действия в шлифовании
5. Температура при шлифовании
6. Самоостреливание шлифового круга
7. Остаточные напряжения при шлифовании
8. Причины слишком быстрого износа круга
9. Причины заглаживания круга
10. Рабочие условия
11. Использование охлаждающих жидкостей при шлифовании
12. Безопасность при шлифовании
13. Дефекты шлифования
14. Тепловые эффекты шлифования
15. Факторы, влияющие на шероховатость поверхности при шлифовании
16. Устранение неисправностей в шлифовании

1. Введение в шлифование

Шлифование также можно рассматривать как процесс механической обработки, то есть процесс удаления металла, но в сравнительно меньшем объёме. Шлифовать значит «абразивно обрабатывать», изнашивать «трением» или «затачивать». При шлифовании материал удаляется посредством вращающегося абразивного круга. Действие шлифового круга очень похоже на действие фрезы.

Круг состоит из большого количества режущих инструментов, составляемых выступающими абразивными частицами в шлифовом круге. Определённые вытянутые металлические стружки, меняющиеся в размерах от 0,4 до 0,8 мм, можно увидеть, исследуя удалённый материал под микроскопом.

В настоящее время шлифование основано используется для следующих целей:

• Удаление очень малого количества металла с заготовки для приведения её размеров в очень близкие допуски после всех операций грубой отделки и термической обработки. Это, по сути, финишный процесс для достижения близких размерных и геометрических точностей.
• Иногда используется для получения лучшей чистоты поверхности.
• Иногда применяется для обработки твёрдых поверхностей, которые иначе трудно обрабатывать быстрорежущими стальными инструментами или твёрдыми сплавами.
• Также используется для заточки режущих инструментов.
• Также применяется для шлифования резьбы для достижения близких допусков и лучшей чистоты.
• Иногда применяется для более высоких скоростей удаления материала (абразивная обработка).

Шлифование — один из крайне важных процессов в производственной работе. Оно обладает определёнными преимуществами над другими процессами резания.

Некоторые преимущества:

• Очень подходит для резки закалёных сталей и т.д. Детали, требующие твёрдых поверхностей, сначала обрабатывают до формы в отожжённом состоянии, оставляя только малое количество материала для шлифования в зависимости от размера, формы и склонности материала к деформации при термообработке.
• Экстремально гладкая чистота, желательная на контактных и опорных поверхностях, может быть получена только операцией шлифования благодаря большому количеству режущих кромок на шлифовом круге.
• Нет следов от подачи, потому что круг имеет значительную ширину.
• Очень точные размеры и более гладкая чистота поверхности могут быть достигнуты за очень короткое время.
• Сложные профили могут быть точно произведены с относительно недорогими шаблонами для правки.
• Требуется очень малое давление в этом процессе, позволяя его использование на очень лёгких работах, которые иначе стремятся отпружинить от инструмента. Эта характеристика позволяет использовать магнитные притягиватели для удержания работы во многих шлифовальных операциях.
• Абразивы имеют очень высокую твёрдость; менее чувствительны к теслу по сравнению с другими материалами и могут выдерживать высокие температуры. Таким образом, их можно обрабатывать на более высоких скоростях резания. Шлифовые круги обладают свойствами самоострения за счёт отбрасывания затупившихся зёрен и обнажаения новых острых.
• Шлифование — удобный метод удаления материала из материалов после закалки.
• Шлифование, в отличие от обычной обработки, не нужно резать через твёрдую кожу ковок и т.д.

2. Происхождение шлифования

На ранних стадиях «долото» считалось наиболее удобным инструментом для удаления металла. В долоте только одна режущая кромка и больше материала можно удалить, но с очень плохой чистотой. Для получения лучшей чистоты на материалах человек начал использовать напильник. В напильнике есть множественные режущие кромки.

С ним удаляемый материал меньше, но можно получить лучшую чистоту. С развитием технологии долото было заменено одноточечным режущим инструментом для контроля удаления металла, а операция удаления металла выполняется на различных станках — токарных, строгальных, фрезерных и т.д.

Аналогично, для контроля удаления металла и получения лучшей чистоты множественными режущими кромками используется шлифование. Процесс шлифования приводит к улучшению геометрической точности компонента (± 0,02 мм) и улучшению чистоты поверхности (0,1 мкм Ra).

3. Режущее действие в шлифовании

Из рис. 20.1 видно, что шлифовый круг состоит из абразивных частиц, связующего материала и пустот. Выступающие абразивные частицы действуют как кончики режущих инструментов и удаляют металл. Правильно подобранный шлифовый круг демонстрирует действие самоострения.

По мере резания абразивные частицы на режущем крае становятся затупленными, и в конечном итоге они раскалываются вдоль плоскостей расщепления из-за сопротивления, оказываемого материалом заготовки, которое сопротивляется действию резания. Таким образом, образуются новые режущие точки, которые выполняют дальнейшее режущее действие.

Этот процесс продолжается, пока абразивные зёрна не износятся до уровня связи. В этот момент связующее позволяет остатку изношенных зёрен быть сорванными с круга, обнажая новые зёрна, которые ранее находились ниже поверхности круга, и новые зёрна выполняют дальнейшее режущее действие.

Две проблемы, часто встречающиеся либо из-за неправильного выбора шлифового круга, либо из-за неправильных условий резания — заглаживание круга и забивание круга. Заглаживание круга относится к условию, когда зёрна изношены до уровня связи и удерживаются слишком долго для эффективного резания. Это результатом использования твёрдого круга (круга с высокой прочностью связи и слишком мелкими зёрнами).

Проблема может быть устранена сменой круга и иногда изменением условий резания. Забивание круга происходит, когда стружки заготовки встраиваются в режущую грань круга, тем самым снижая скорость резания, потому что глубина проникновения уменьшается. Это происходит из-за слишком малых пустот и может быть вылечено увеличением скорости круга или использованием другого круга.

Таким образом, выбор шлифового круга для правильного, непрерывного и эффективного резания требует правильного выбора типа абразива, размера зёрен, типа связующего агента и его прочности, и размера пустот. Дальше поведение шлифового круга влияет материал заготовки, скорость резания, глубина резания и скорость подачи.

Хотя алмаз — самый твёрдый материал, но из-за его высокой стоимости его применения ограничены. Al2O3, SiC и B4C имеют высокую твёрдость по сравнению с закалёной сталью и поэтому могут использоваться для удаления металла пластической деформацией. Можно упомянуть, что материал режущего инструмента должен быть твёрже для удаления материала пластической деформацией и также для поддержания его формы и меньшего износа.

Поскольку невозможно сделать обычную форму режущего инструмента из этих материалов, используется их в форме зёрен, форме, в которой они доступны в природе. Зёрна этих материалов (абразивы) связываются некоторым связующим материалом в форме круга. Абразивные зёрна на поверхности круга действуют как режущие кромки. Они случайно распределены и случайно ориентированы.

4. Механика режущего действия в шлифовании

Рис. 20.2 (а) показывает режущее действие зёрен в процессе шлифования. Для упрощения все зёрна можно считать идентичными.

Рис. 20.2 (б) показывает детализированный вид схемы формирования стружки при плоском шлифовании. Поперечное сечение необработанной стружки оказывается примерно треугольным с толщиной t и шириной w. Однако, необработанная толщина и ширина варьируются и пусть их максимальные значения будут tmax и wmax. Среднее значение может быть половиной этих. Средняя длина стружки l = D/2 x θ (D = диаметр шлифового круга и θ очень мало).

Если f — подача (типичное значение 0,2–0,6 м/с) и W = ширина резания в мм, общий объём удалённого материала за единицу времени = fdW.

Средний объём одной стружки = f(1/6) wmax tmax l.

Если N — обороты шлифового круга, ρ = поверхностная плотность в зёрнах/мм², то количество активных зёрен на границе круга и, следовательно, количество стружек, производимых за единицу времени = πNDW ρ.

Отсюда видно, что круг будет казаться более мягким, если N, D или ρ уменьшаются, или f или d увеличиваются, потому что значение Fav увеличится и вызовет более частый выброс абразивных зёрен. В операции плоского шлифования радиальная сила FR = 2F. (См. рис. 20.3)

5. Температура при шлифовании

Очень высокая температура достигается кончиком абразивной частицы при резании. Однако никакого серьёзного нагрева круга не происходит, потому что такая высокая температура длится только очень короткое время и температурный градиент на режущих зёрнах очень крутой.

Приблизительная теоретическая средняя температура интерфейса стружка/инструмент задаётся:

∴ Для тонкого шлифования температура интерфейса стружка/инструмент может быть снижена уменьшением как скорости круга, так и толщины стружки.

Для обычного шлифования температура может быть снижена снижением скорости круга, но не уменьшением толщины стружки. Фактически, термический ущерб может произойти при лёгких финишных разрезах.

Использование жидкости при шлифовании не только снижает температуру заготовки и износ круга, но и делает круг менее забиваемым, что снижает частоту правки круга. Однако жидкость не может предотвратить повреждение поверхности заготовки из-за высокой мгновенной температуры.

6. Самоостреливающие характеристики шлифового круга

В шлифовом круге режущие инструменты (точки) имеют неправильную форму и случайно распределены. Острые кромки на периферии круга участвуют в процессе удаления материала и постепенно становятся тупыми, т.е. изношенными (затупленными). Из-за больших сил на них при обработке они либо ломаются, предоставляя новые острые режущие кромки, либо выбиваются, и новые зёрна под ними становятся обнажёнными и участвуют в удалении материала.

Этот процесс придаёт шлифовым кругам характеристику самоострения. Было бы осознано, что прочность связи (называемая её маркой) решает максимальную силу, которую абразивное зёрно может выдержать, и это важная характеристика шлифового круга. Круг с сильной связью называют твёрдым.

Маленькие и горячие стружки, производимые при шлифовании, имеют склонность к приварке к кругу или заготовке. Кроме того, большое количество зёрен может иметь большой отрицательный угол заточки из-за случайной ориентации грубых частиц, и эти вместо резания могут тереть. Эти факторы делают процесс шлифования неэффективным и потребляющим высокую удельную энергию.

7. Остаточные напряжения при шлифовании

Температура на интерфейсе зёрно-стружка при шлифовании достигает очень высокого значения (около 1500 °C). Из-за высокой температуры микроструктурные изменения могут происходить из-за быстрого нагрева и закалки (из-за охлаждающей жидкости). Термические и механические эффекты могут влиять на зашлифованную поверхность на глубину около 0,2 мм.

Это приведёт к развитию высоких остаточных напряжений растяжения, и если они достигают высоких значений, могут возникнуть поверхностные трещины. Рис. 20.7 показывает, как остаточное напряжение может возникать на различных глубинах с разными скоростями круга в заготовке после плоского шлифования. Температура шлифования может быть предположена пропорциональной затраченной энергии на единицу площади шлифовки.

Таким образом, температура и дефекты, вызванные высокой температурой шлифования, могут быть снижены уменьшением d, D, ρ или N, или увеличением f.

Время, в течение которого зёрно остаётся в контакте со стружкой:

которое составляет порядка 0,0001 сек.

Температура интерфейса зёрно-стружка находится:

где V = периферийная скорость круга

R = теплопроводность материала заготовки

ρc = объёмная удельная теплоёмкость материала заготовки.

8. Причины слишком быстрого износа круга

• Слишком мягкий круг
• Слишком узкое лицо круга
• Слишком низкая скорость круга
• Слишком высокая скорость заготовки
• Перегрузка круга
• Наличие отверстий или канавок в заготовке

9. Причины заглаживания круга

• Слишком твёрдый круг
• Слишком мелкое зёрно
• Слишком высокая скорость круга
• Слишком низкая скорость заготовки
• Круг забит стружками

10. Рабочие условия

Правильный выбор различных рабочих условий очень важен для успеха любой шлифовальной операции.

Различные рабочие условия и их влияние на операцию шлифования даны ниже:

(i) Скорость круга:

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

(ii) Скорость заготовки:

Увеличение скорости заготовки увеличивает износ круга, но снижает выделяемое тепло. Высокая скорость заготовки ограничивается преждевременным износом круга и вибрациями, вызванными износом. Низкая скорость заготовки приводит к локальному перегреву, который деформирует/отпускает закалёную заготовку и влияет на её механические свойства.

Для уменьшения износа круга скорость заготовки должна быть снижена. Если выделяемое тепло больше, происходит забивание, особенно с твёрдыми кругами, скорость заготовки должна быть увеличена. Для грубой операции скорость заготовки варьируется от 11 до 50 м/мин, а для финишной — от 6 до 30 м/мин в случае цилиндрического шлифования. Скорость заготовки для внутреннего шлифования варьируется от 15 до 30 м/мин, а для плоского — от 8 до 15 м/мин.

(iii) Подача:

Интенсивность удаления материала увеличивается увеличением нижней подачи или подачи по глубине, но это приводит к большему износу круга и плохой чистоте, влияя на размерную и геометрическую точность.

Увеличение поперечной подачи или переверёвочной подачи увеличивает износ круга и даёт плохую поверхность. Обычно её значение регулируется на 2/3 – 3/4 ширины круга в случае шлифования стали и 3/4 – 5/6 ширины круга в случае чугунной заготовки.

(iv) Площадь контакта шлифования:

Когда площадь контакта велика (как в случае внутреннего шлифования, плоского и с большими диаметрами заготовки при малом диаметре круга), единичное давление низко, и для непрерывного свободного режущего действия используется мягкий круг. Крупнозернистый абразив используется для обеспечения адекватного зазора для стружки между абразивными зёрнами. Мелкозернистый и более твёрдый круги используются, когда площадь контакта мала.

11. Использование охлаждающих жидкостей при шлифовании

Много тепла выделяется в контакте шлифового круга и заготовки при шлифовании, большинство из которых передаётся заготовке. Шлифовальные жидкости помогают предотвратить чрезмерный нагрев заготовки и промыть круг.

Шлифовальные жидкости, содержащие серные или хлорные добавки, помогают снизить режущую силу и улучшить чистоту поверхности и увеличить срок службы шлифового круга. Обычно водные эмульсии и шлифовальные масла в большом количестве (15–20 л/мин для нормального среднего шлифовального станка) используются для этой цели.

Жидкость направляется к интерфейсу между кругом и заготовкой, чтобы создать плёнку низкой сдвиговой прочности между кругом и работой. Жидкость подаётся под давлением с помощью специальных сопел, чтобы проникнуть воздушную плёнку вокруг поверхности круга из-за высокой скорости. Для предотвращения забивания круга мелкими частицами шлифовальная жидкость тщательно фильтруется.

12. Безопасность при шлифовании

Любые небезопасные практики в шлифовании могут быть опасны для операции и заслуживают внимательного отношения.

Различные важные аспекты:

(i) Монтаж шлифовых кругов:

Круг должен быть правильно установлен в шпиндель и ограждён защитным кожухом. Отверстие круга не должно быть плотным посадкой на втулке.

(ii) Скорость круга:

Максимальная скорость круга определяется предельной прочностью на разрыв круга и зависит от используемого абразива, размера зёрна, связи, структуры, марки, формы и размера круга. Её значение указывается производителями, которое никогда не должно превышаться.

(iii) Инспекция круга:

Круги перед монтажом должны проверяться на повреждения при транспортировке, трещины и другие дефекты. Звонковый тест достаточно для керамической связи. Звонкие круги, при лёгком ударе под 45° от вертикальной линии пластиковым молотком, звучат как чистый металлический звон, но треснувший круг не звенит.

Круги, когда не используются, должны храниться в сухом месте и размещаться на краях в стойках.

(iv) Защитные кожухи круга:

Они должны всегда использоваться при шлифовании и периодически регулироваться для компенсации износа круга.

(v) Сбор пыли и меры предосторожности для здоровья:

При сухом шлифовании должно быть предусмотрено извлечение шлифовальной пыли. Защитные кожухи станка никогда не должны сниматься, пока станок в работе. Оператор должен носить средства защиты для защиты глаз и тела от летящих абразивных частиц и пыли.

(vi) Работа круга:

Адекватная мощность необходима в шлифовальных станках. Если мощность неадекватна, то круга будут замедляться и развивать плоские пятна, заставляя круг работать с дисбалансом.

При мокром шлифовании круг не должен быть частично погружён, так как это серьезно выведет круг из баланса.

13. Дефекты шлифования

Два распространённых дефекта из-за неправильного выбора круга или неправильного условия шлифования:

• Забивание
• Заглаживание

Забивание происходит, когда промежутки между абразивными зёрнами забиваются частицами металла, шлифовального. Такие зёрна не выступают достаточно для эффективного резания. Это происходит из-за шлифования мягких металлов с открытой структурой круга. Заглаживание легко распознаётся по блестящему внешнему виду грани круга.

Оно происходит из-за затупления абразивных зёрен и их не отрыва от связи. Это случается, когда круги слишком твёрдые для обрабатываемого материала. Заглаживание может быть снижено увеличением скорости круга или скорости заготовки.

Чистота поверхности и удельная потребляемая мощность также могут быть включены для оценки общей производительности шлифового круга. В этом случае шлифовальное отношение равно отношению количества зашлифованного материала к количеству износа круга и произведению удельной шлифовальной мощности и чистоты поверхности на тестовом образце.

14. Тепловые эффекты шлифования

В процессе шлифования много тепла генерируется между режущим инструментом и заготовкой. Основная часть тепла рассеивается в заготовке, а остаток удерживается шлифовым кругом.

Два тепловых эффекта шлифования:

1. Эффект на шлифовый круг:
   • Из-за генерации тепла развиваются трещины, называемые шлифовальными трещинами. Трещины перпендикулярны шлифовальным следам.
2. Эффект на заготовку:
   • (a) Потемнение: окисление поверхностей происходит при 200 °C, производя металлические оксиды. Эти оксиды имеют разные цвета, в отличие от основного металла. Другими словами, можно сказать, что это приводит к потемнению заготовки. Генерация тепла происходит из-за затуплённых зёрен, которые приведут к обжигу поверхности.
   • (b) Механическое повреждение: из-за острых зёрен на металлической поверхности формируются царапины.
   • (c) Металлургическое повреждение: из-за генерации тепла на поверхности образуются хрупкие трещины.
   • (d) Химическое повреждение: из-за генерации тепла образуются химические оксиды.

15. Факторы, влияющие на шероховатость поверхности при шлифовании

Шероховатость поверхности при шлифовании зависит от шлифового круга (его диаметра, абразива, твёрдости, правки, износа) и условий шлифования (скорость круга, скорость заготовки, продольная подача, диаметр заготовки). Рисунки показывают изменение шероховатости при шлифовании с изменением различных параметров.

16. Устранение неисправностей в шлифовании

Различные неисправности, которые могут возникнуть при шлифовании, и различные решения для их преодоления даны ниже:

(i) Быстрый износ круга:

Можно устранить:

• (а) Использованием более твёрдого круга
• (б) Увеличением скорости круга
• (в) Уменьшением скорости поперечной подачи и скорости заготовки, и незначительным уменьшением глубины резания

(ii) Заглаживание круга:

Это происходит из-за неправильной правки, неправильного выбора круга и использования медленной поперечной подачи и высокой скорости заготовки. Можно устранить, держа круг острым, используя более мягкий круг или более крупное зёрно, снижая скорость круга и увеличивая поперечную подачу, используя большую глубину подачи по глубине и увеличивая глубину резания.

(iii) Трещины биения:

Можно устранить:

• (а) Правильной балансировкой круга
• (б) Использованием правильного инструмента для правки
• (в) Использованием более мягкой марки или более крупного зёрна
• (г) Снижением вибраций станка проверкой подшипников и фундаментов, и регулировкой шпиндельных подшипников
• (д) Подтяжкой ремня
• (е) Использованием подходящих опор или зажимов для крупных работ

(iv) Грубая чистота:

Это может быть из-за использования либо слишком крупного круга, либо слишком мягкого круга.

(v) Забивание круга:

Можно устранить использованием более мягкого или пористого структурного круга; использованием более острого правки, использованием обильного количества чистой охлаждающей жидкости. Нерегулярные следы разной длины и ширины могут возникать из-за грязной охлаждающей жидкости. Глубокие нерегулярные следы возникают из-за ослабленных фланцев круга.

(vi) Перегрев заготовки:

Это происходит из-за неправильного выбора круга. Для преодоления, должен использоваться более мягкий круг и достаточное количество охлаждающей жидкости.