книги / Тепловые процессы в технологических системах

кая; эквивалентные теплофизические характеристики рабочего слоя: А*кв = 0,84

б) по формуле (5.58) рассчитать средневероятное количество режущих зерен, а по формуле (5.60) — средневероятную толщину среза (яр = 2,84* 10е; а = 1,6*10“®м); положив в первом приближении b = 2а, рассчитать ширину

г) рассчитать силы, действующие на задней поверхности зерна,, имея в виду, что сила трения F2= 0,25* 10®^^. с Щ , где \12— коэффициент трения на этой площадке; ов.с — предел прочности на сжатие обрабатываемого материала, МПа;

, д) рассчитать силы, приходящиеся на одно зерно [Р\ — Pz/(nvB[) = 0,2 Н;

Pfl = 0,44 Н];

е) рассчитать силу трения на передней поверхности зерна, имея в виду [3], что Fx = (Р\ — F.2) sin V — (P\j — N2) C O S у (при у = —45° получаем Fx =

з) приняв, что источники тепловыделения от сил трения на поверхностях зерна распределены по несимметричным нормальным законам, а на поверхности сдвига — равномерно, рассчитать плотности тепловых потоков [?1Т= 7,44Х

определить плотность итоговых потоков теплообмена и температуры 0j и 02 (0i =

о) по алгоритму, приведенному в задаче 66, рассчитать среднюю темпера­

туру на поверхности контакта круга с заготовкой (0ер « 120 °С); п) по формуле (5.67) рассчитать локальную температуру под зерном.

Ответ: 0 = 1044 °С.

5.5. ПУТИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

Управление тепловыми явлениями при шлифовании имеет целью не столько повышение производительности процесса и стойкости инструмента (хотя и эти задачи не снимаются с повестки дня), сколько обеспечение заданного качества поверхностных слоев изделий. Практика показывает, что вследствие весьма интен­ сивных тепловых процессов в тонких поверхностных слоях заго­ товки при шлифовании возможно появление так называемых прижогов. Прижоги представляют собой участки в виде пятен или

штрихов с измененной структурой металла. Изменение состоит либо в том, что появляется местный отпуск (прижоги отпуска), либо дополнительная местная закалка (прижоги закалки), когда образуется тонкий аустенитно-карбидный слой повышенной твер­ дости, под которым располагается отпущенный слой, постепенно переходящий в исходную структуру металла. Прижоги в виде штрихов являются результатом высоких локальных температур, возникающих на площадках контакта рабочих зерен круга с заго­ товкой. Прижоги в виде пятен, как правило, возникают в резуль­ тате воздействия высоких температур на всей контактной поверх­ ности инструмента с заготовкой. Эти температуры возникают вслед­ ствие предварительного нагрева металла зернами, а также от тре­ ния между связкой и поверхностью контакта в межзерновом про­ странстве.

Назначая режимы шлифования, безопасные с точки зрения появления прижогов, следует иметь в виду, что характер структур­ ных превращений в материале заготовки зависит не только от температуры, но и от скорости ее повышения. При шлифовании скорости нагрева поверхности контакта между кругом и заготовкой весьма высоки. Средняя скорость нагревания материала заготовки при прохождении над ним очередного зерна

(<?0/дт)ср (0 — 0ср)/тр

в условиях задачи 69 составляет примерно 2-10*°С/с. В других случаях она может быть еще на один-два порядка выше. Высокой

оказывается также скорость охлаждения поверхности контакта после выхода заготовки из зоны резания, особенно если применяют активную технологическую жидкость.

С увеличением скоростей нагрева структурные изменения в тонком поверхностном слое заготовки происходят при более высоких температурах, чем при медленном приложении тепловой нагрузки. Поэтому, несмотря на высокие локальные температуры, прижоги на шлифуемой поверхности иногда могут и не возникать. Однако, как правило, снижение локальных температур оказыва­ ется желательным (или необходимым), поскольку дефекты поверх­ ности в виде прижогов существенно уменьшают надежность и долговечность деталей в процессе эксплуатации машин. Например, наличие прижогов на шлифованных боковых поверхностях зубьев шестерен снижает их долговечность в 5— 8 раз, а прижоги на

беговых дорожках колец подшипников качения снижают долго­ вечность подшипников в 2—3 раза.

Недопустимым дефектом деталей машин является сетка мелких трещин на шлифованных поверхностях. Эти трещины возникают в процессе обработки заготовки или при остывании изделия. Они оказываются результатом напряжений, возникающих в про­ цессе резания, или остаточных напряжений в. поверхностном слое заготовки. В свою очередь, технологические остаточные напряже­ ния являются следствием термического и силового нагружения материала в зоне резания, а также резких перепадов температур между нагретым металлом и окружающей средой (воздух, техноло­ гическая жидкость) в момент выхода его из контакта со шлифую­ щим инструментом. Таким образом, с точки зрения предотвращения брака изделий по трещинам также желательно регулирование температур и управление тепловыми явлениями при финишных технологических операциях.

Уменьшение мощности тепловыделения. Снижение темпера­ туры шлифования может быть достигнуто прежде всего уменьше­ нием общей мощности источников тепловыделения. В свою очередь, это требует: 1) придания режущим выступам зерен оптимальной

формы при возможно меньшем разбросе геометрических параметров во всей их совокупности; 2) поддержания режущих свойств круга

в течение возможно более длительного периода времени; 3) создания условий, обеспечивающих равномерное распределение работы резания между группами зерен, расположенных на различных участках рабочей поверхности инструмента; 4) введения в зону резания дополнительных видов энергии, способствующих сниже­ нию прочности срезаемого материала. Рассмотрим некоторые современные методы и устройства, позволяющие удовлетворить перечисленным выше требованиям и этим путем управлять мощ­ ностью тепловыделения при шлифовании.

Мы уже отмечали, что абразивный инструмент является сто­ хастической совокупностью зерен, каждое из которых может занимать любое положение в пространстве. В связи с этим естест-

венно, что геометрические параметры режущих выступов колеб­ лются в значительных пределах. Однако в последние годы появи­ лись способы отбора и ориентации зерен из сверхтвердых материа­ лов (алмаз, кубический нитрид бора и др.), которые при изготовле­ нии инструментов позволяют уменьшить разброс геометрических параметров режущих выступов в поверхностных слоях кругов, шлифовальных лент и т. д. Для ориентирования зерна предвари­ тельно металлизируют, покрывая никелем, затем с помощью магнит­ ного поля устанавливают их в заданном направлении относительно рабочей поверхности инструмента, после чего закрепляют связкой. Придавая зернам положение, наиболее благоприятное с точки зре­ ния процесса микрорезания, можно, как показали исследования, существенно снизить силы и температуру, возникающие в процессе шлифования.

Преимущества инструментов с ориентированными зернами очевидны. Однако чисто технологические трудности и высокая себестоимость не позволяют пока широко использовать адетод ориентирования зерен для изготовления массивных шлифовальных кругов, в которых зерна должны располагаться в слое большой толщины и постепенно покидать этот слой в процессе эксплуатации круга, обеспечивая самозатачивание инструмента. Для таких кругов, обычно применяемых на производстве, высокие режущие свойства обеспечивают периодической правкой или чисткой рабочей поверхности инструмента.

Не останавливаясь подробно на методах правки и их примене­ нии, покажем, как некоторые из них влияют на температуру шли­ фования. На рис. 5.43 приведена зависимость температуры в зоне

контакта между шлифовальным кругом, содержащим зерна белого электрокорунда на керамической связке, и заготовкой из стали Ш Х15. Поскольку измерение проводили с помощью тонкой заклад­ ной термопары, можно предположить, что экспериментально получены температуры, близкие к локальным 0. Исследования показали, что при 0 > 980 °С в поверхностном слое обрабатывае­ мого материала толщиной 3— 6 мкм возникают прижоги отпуска.

Круг правили инструментами трех видов: кристаллом алмаза в оправе (АО), алмазным роликом (АР) и карандашом МААС. Алмазы в оправе являются универсальным правящим инструмен­ том, широко применяемым в машиностроении. Алмазные ролики в зависимости от геометрической формы обрабатываемого предмета могут быть цилиндрическими или с непрямолинейной (фасонной) образующей. В рабочем слое роликов находятся алмазные зерна, укрепленные в связке. Карандаши МААС, разработанные в Инсти­ туте сверхтвердых материалов АН УССР, представляют собой правящий инструмент из металлоалмазного адгезионного сплава.

Температура шлифования зависит от метода правки (см. рис. 5.43). Дело в том, что степень обновления рабочей поверх­ ности круга и острота режущих зерен на ней при правке различ­ ными методами оказываются различными. Соответственно различ­ ными оказываются мощность тепловыделения в зоне резания и температуры при обработке заготовок кругами, подвергшимися правке различными методами. Зона бесприжогового шлифования при правке круга карандашами МААС меньше, чем при правке АР и АО (области режимов глубин резания и температур, при которых возможны прижоги, на рис. 5.43 заштрихованы).

Эффективным способом поддержания режущей способности круга и снижения температур в процессе шлифования является метод непрерывной ультразвуковой очистки рабочей поверхности абразивного инструмента. Схема устройства, применяемого для этой цели, показана на рис. 5.44. Струя смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) подается через сопло 2 в место соприкосновения заготовки 1 с кругом 11. Кроме этого, СОЖ поступает в герметич­ ный корпус головки 4, в котором находится магнитострикционный преобразователь 5, а Далее через дополнительное сопло 3 в зазор А

между рабочей поверхностью круга и волноводом-концентратором 10. Магнитострикционный преобразователь изготовлен из пакета пластин никеля Или пермендюра. Обмотка 6, расположенная на преобразователе б, через контакты К включена в цепь генератора

ультразвуковой частоты. Ультразвуковые электрические колеба­ ния, преобразованные в высокочастотные механические, передают­ ся концентратору 10, торец которого припаян к торцу преобразо­ вателя 5.

Корпус ультразвуковой головки 4 укреплен в салазках 7, которые маховичком 8 можно перемещать вдоль стойки 9, что необходимо для регулирования зазора А. Стойка 9 укреплена на

неподвижной части шлифовальной бабки станка.

Под действием колебаний волновода-концентратора 10 в слое

жидкости, попавшей в зазор А, происходят два процесса. Вопервых, кавитационное перемешивание, в результате которого воз­ никает значительное количество воздушных пузырьков. Во-вторых, растяжение и захлопывание этих пузырьков, в связи с чем обра­ зуются ударные сферические волны с мгновенным повышением давления примерно до 10 ГПа.

Высвобождение энергии захлопывающихся пузырьков, плот­ ность которой достигает десятков и сотен ватт на каждом квадрат­ ном сантиметре рабочей поверхности круга, приводит к тому, что из пор круга и с поверхности зерен удаляются шлам и другие отходы шлифования, засаливающие инструмент. Рабочая поверх­ ность зерен под действием ударных волн частично разрушается, что ведет к увеличению количества и заострению режущих выступов. В связи с этим процесс резания облегчается, силы шлифования снижаются на 15—20 %, соответственно снижается и мощность теплообразования в зоне резания. Исследования показали, что независимо от свойств материала заготовки температура шлифова­ ния снижается на 10— 20 %, параметры шероховатости обработан­

ной поверхности уменьшаются в 1,5—3 раза, а стойкость кругов возрастает в 2—3 раза по сравнению с обычными способами шли­

фования.

Среди факторов, обеспечивающих снижение мощности тепло­ выделения при шлифовании, выше названо равномерное распреде­ ление работы резания между группами зерен, расположенных на различных участках рабочей поверхности инструмента. Неравно­ мерность нагрузки при шлифовании возникает чаще всего в связи с дисбалансом кругов и неравномерным распределением припуска по обрабатываемой поверхности. Обе эти причины вызывают изме­ нение мощности тепловыделения в течение одного оборота круга (при дисбалансе) или одного оборота заготовки (при неравномер­ ном припуске).

Изменение мощности приводит к тому, что при достаточно

устойчивом среднем значении W она имеет краткосрочные экстре­

мальные значения, неизбежно приводящие к повышению локаль­ ных температур. Как видно из формул (5.58) — (5.60), изменение глубины шлифования t влечет за собой изменение скорости погру­ жения зерен w*, средневероятного количества режущих выступов лр и вероятной толщины среза а, приходящейся на каждый из

выступов. Естественно, что термический режим на поверхности контакта между кругом и заготовкой также не остается постоян­ ным, поскольку он зависит от 0, а 0 = / (а, пр). Исследования [23 ]

показывают, например, что при обработке заготовок из стали 40ХГНМ шлифовальным кругом 0 = со019 5 0-05 /006, где Б —

дисбаланс круга, г мм; а / — жесткость технологической системы. Дисбаланс круга может приводить к появлению циклических прижогов на обработанной поверхности. Поэтому одним из спосо­ бов повышения качества изделий, основанных на управлении

тепловыми процессами, является снижение дисбаланса кругов путем повышения точности их геометрической формы и однород­ ности, э также тщательного балансирования.

Комбинирование в зоне шлифования различных видов энергии.

В процессе шлифования возможно комбинирование различных видов энергии. Наибольшее распространение получило комбиниро­

вание механической и электрической энергий, так называемое электроалмазное шлифование. Инструмент (круг на металлической

связке) и заготовку включают в цепь электрического тока низкого напряжения и высокой плотности. Обработку ведут с технологи­ ческой жидкостью, подаваемой в зону контакта инструмента с заготовкой, или без нее.

При комбинировании механической и электрической энергий происходят следующие процессы: 1) эрозионное и электрохими­

ческое разрушение металлической связки, содействующее обна­ жению зерен, устранению засаливания круга и повышению его режущей способности; 2) дополнительное нагревание поверхности

заготовки током, вызывающее снижение прочности металла в зоне резания; снижению прочности поверхностных слоев металла содей­ ствуют также электроэрозионные и электрохимические явления, происходящие в зоне контакта; 3) деформирование и срезание материала заготовки активными зернами круга, как и при обычном шлифовании.

Упомянутые выше процессы влияют на уровень локальных и средних температур. Зерна алмаза и других сверхтвердых мате­ риалов, как правило, неэлектропроводны. Поэтому нагревания металла током на площадках контакта каждого из зерен с заготов­ кой не происходит. Однако локальная температура в процессе электроалмазного шлифования отличается от локальной темпера­ туры при шлифовании без тока, поскольку силы резания, приходя­ щиеся на зерно, в этих процессах различны. Нагревание металла заготовки током происходит в межзерновом пространстве, в связи с чем средние температуры при шлифований с током и без него также отличаются друг от друга.

На основании изложенных выше соображений в расчетные фор­ мулы, используемые для теплофизического анализа процесса шлифования при работе с током, должны быть внесены некоторые изменения.

При расчете средних температур должно учитываться влияние дополнительного источника тепловыделения плотностью

круга с заготовкой. Формулы (5.61) и (5.62) при переходе от рас­ чета локальных температур в процессе обычного шлифования к расчету температур при работе с током не меняют. Однако при этом значения 0Д, qlr и qiTдолжны быть скорректированы с учетом

изменения сил резания, возникающего при комбинировании меха­ нической и электрической энергий.

в формуле (5.67) растет быстрее, чем снижается первое. Так, эксперименты, относящиеся к шлифованию заготовки из стали ШХ15 [22], показали, что с увеличением мощности электри­ ческого тока температуры <в процессе алмазного контактно-эро­ зионного шлифования, как правило, возрастают. Следовательно, дополнительное тепловыделение здесь превалирует над уменьше­ нием теплообразования, вызванного снижением сил резания. Однако возможен, по-видимому, и другой результат, если шлифо­ ванию подвергается заготовка из более теплопроводного мате­ риала, или если прочность материала заготовки сильно реагирует на электрические процессы, происходящие в зоне шлифования. Тогда снижение температур, связанное с уменьшением сил реза­ ния, будет опережать повышение 0ср , вызванное непосредственным влиянием тока, суммарная локальная температура 0 будет сни­

жаться .

Регулирование длительности контакта инструмента с заготов­ кой. Выше (в п. 5.3) было отмечено, что, регулируя длительность контакта между режущим инструментом и заготовкой, можно управлять термическим режимом в зоне резания. Большие возмож­ ности в этом направлении имеются и в процессе шлифования. Нестационарность и периодичность теплообмена здесь обеспечи­ ваются применением кругов, лент и других инструментов с преры­ вистой рабочей поверхностью.

На рис. 5.45 показана одна из конструкций кругов для преры­ вистого шлифования. Рабочая часть инструмента 3 имеет выступы

длиной /j, чередующиеся со впадинами длиной /2. В корпусе планшайбы 4, на которую кольцом 2 и гайкой 1 крепят рабочую часть круга, размещены дополнительный груз (кольцо 5) и упругий элемент 6.

Последний изготовлен из материала, способного погло­ щать энергию колебаний за счет внутреннего трения (резина, полиуретан и др.). Дополнительный груз 5 вместе с упругим элементом 6 предназначены для гашения низкочастотных колеба-

ний, возникающих при шлифовании в связи с прерывистой поверх­ ностью круга.

Рассматривая поверхность контакта между инструментом и заготовкой как равномерно распределенный источник теплоты и аппроксимировав результаты расчетов, А. В. Якимов получил выражение, связывающее безразмерные критерии процесса:

Fo = (v — v0)/(A + ВРе),

где v = IJli, Fo = сот//2 — безразмерное время; т = IJv — время

контакта выступа круга с заготовкой; / — длина контакта между кругом и заготовкой; А , В и v0— величины, зависящие от критерия Ре = v j/ со (здесь ^ — скорость перемещения заготовки) и соотно­

шения х между температурами шлифования прерывистым и сплош­ ным кругами (табл. 5.6).

Величина v определяет соотношение между временами нагрева­ ния и остывания поверхности контакта за один цикл (см. рис. 5.22), а, следовательно, и коэффициент снижения температуры х при переходе от обычного шлифования к прерывистому. Практически задача ставится по-другому: при заданном коэффициенте х и при­ нятом на основе конструктивных соображений значении v опреде­ лить длину 1г рабочего круга:

Аналогичные расчеты могут быть выполнены, если необходимо определить параметры других инструментов с прерывистой рабо­ чей поверхностью, в том числе применяемых в последние годы кругов и лент с рабочей поверхностью в виде отдельных цилиндри­ ческих выступов, содержащих режущие зерна и эластичную связку.

Регулирование температуры с помощью смазочно-охлажда­ ющих технологических сред (СОТС). Теплофизический анализ показывает, что общее тепловыделение, плотность теплообразую­ щих потоков и температуры на контактных поверхностях режущих зерен при шлифовании существенно выше, чем при лезвийной обра­ ботке. Поэтому рациональное применение охлаждающе-смазываю- щих сред при шлифовании имеет особо важное значение. Не оста-

навливаясь на комплексном многостороннем воздействии техноло­ гических сред на процесс абразивной обработки, выделим два главных направления влияния СОТС на тепловые процессы и тем­ пературу шлифования: смазочное и охлаждающее. На тепловые процессы, происходящие в локальных зонах вблизи режущих зе­ рен, оказывает влияние главным образом смазывающее действие СОТС. Весьма тонкие пленки смазочного материала, попадая на контактные поверхности зерен, снижают трение и теплообразова­ ние в локальной зоне. Охлаждающее действие среды здесь, повидимому, невелико, поскольку площади соприкосновения между свободными (не заделанными в связку) частями зерен и жидкостью весьма малы.

Несколько по-другому обстоит дело в межзерновом простран­ стве круга. Здесь возможно проявление как смазывающего, так и охлаждающего влияния СОТС. Смазывая поверхность соприкос­ новения между связкой круга и материалом заготовки, СОТС сни­ жают тепловыделение в межзерновом пространстве. Однако значи­ тельно большую роль играет теплоотвод от этих участков контакт­ ной площадки между инструментом и заготовкой, возникающий как следствие конвективных процессов теплообмена между жид­ костью и материалом. Дело в том, что работа трения на поверх­ ности контакта между связкой круга и заготовкой составляет, как правило, незначительную часть общей работы шлифования. Сниже­ ние ее доли за счет смазывания трущихся поверхностей в большин­ стве случаев не может оказать существенного влияния на тепло­ физическую обстановку в зоне шлифования.

Приведенные выше соображения позволяют сделать заключение о том, что смазывающее действие СОТС должно сказываться преи­ мущественно на первом слагаемом формулы (5.67), а охлаждаю­ щее — на втором. Такая постановка вопроса облегчает аналити­ ческую оценку изменений в значениях температур 0 и 0ОхЛ>

которые возникают при переходе от шлифования без смазочного материала к шлифованию с применением СОТС. В самом деле, если

известны силы Рг и PN в обоих вариантах операций, то 0£хл рассчитывают по той же методике, что и 0Р (алгоритм решения показан в задаче 68).

Несколько сложнее обстоит дело с расчетом второго слагаемого в формуле (5.67). Для решения этого вопроса рассмотрим одно межзерновое пространство площадью /м, средневероятная глубина которого 6 = хср — А (см. рис. 5.39). Предположим, что весь объем межзернового пространства /м6 заполнен охлаждающей

средой. Суммарная площадь, которую занимают межзерновые пространства на поверхности контакта FHмежду кругом и заготов­ кой, составляет / мМ, где N — количество одновременно работаю­

щих зерен. В связи с теплообменом между жидкостью, содержа­ щейся в межзерновых пространствах, и заготовкой с площадки