<< вернуться...


ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

С.В. Павлюк, магистрант
Донецкий национальный технический университет


THERMAL PHENOMENA AT POLISHING

S.V. Pavlyuk, master's degree
Donetsk national technical university


The process of mass maring at polishing flows on high-rate, creates in a superficial layer the enormous number of high temperature hearths. Are the sources of warmth work deformations of metal and work of external friction of abrasives corns at the surface of metal.


Процесс массового царапания при шлифовании, протекающий на весьма высоких скоростях, создает в поверхностном слое огромнейшее число высокотемпературных очагов. Источниками теплоты, возникающей при царапании, являются работа деформирования металла и работа внешнего трения абразивных зерен о поверхность металла. В отличие от резания металлическим инструментом при шлифовании теплота резания-царапания отводится главным образом в массу металла детали, так как сечение снимаемого слоя незначительно и шлифовальный круг практически не теплопроводен. Знание температур шлифования и тепловых явлений, сопровождающих этот процесс, необходимо не только для получения качественного поверхностного слоя, но и для установления истинной картины процесса снятия тончайших стружек высоких скоростях.

Различают мгновенную температуру резания и установившуюся температуру поверхностного слоя.Мгновенная температура возникает в период снятия стружки абразивным зерном, резко достигает весьма большой величины и практически мгновенно отводится в массу металла шлифуемого изделия. Экспериментально эта температура еще не измерена, однако с известным приближением может быть определена косвенным путем по структурным превращениям в тончайших граничных слоях шлифуемой детали [1]. Величины мгновенных температур могут достигать точки Ас3 и даже приближаться к температуре плавления металла. О высоких мгновенных температурах, развивающихся при резании-царапании достаточно прочных металлов, свидетельствует поток искр, имеющиеся даже при наличии обильного охлаждения.
Установившаяся температура поверхностного слоя шлифуемой детали не является значительной даже при шлифовании без охлаждения. Причина заключается в том, что тепло, образующееся в граничных поверхностных слоях шлифуемой детали, быстро отводится в массу детали, и большему размеру шлифуемой детали будет соответствовать более интенсивный отвод тепла от поверхностных слоев вовнутрь детали. Кроме того, небольшая часть тепла теряется в окружающую среду за счет лучеиспускания.

Высокие мгновенные температуры могут привести к структурным изменениям в закаленных сталях, появлению ожогов и шлифовочных трещин, т. е. к порче поверхностного слоя. Местное изменение структуры поверхностного слоя шлифуемой детали (ожог), образующееся в результате высоких мгновенных температур и интенсивного выделения тепла на весьма небольших участках поверхностного слоя детали вызывает снижение механических свойств поверхностного слоя, главным образом снижение его твердости и износоустойчивости. Чрезмерный, практически мгновенный, местный нагрев поверхностного слоя детали может быть вызван следующими причинами:

  1. завышенными режимами шлифования – чрезмерно большой толщиной слоя, снимаемого одним абразивным зерном, в результате чего развивается значительное давление абразивных зерен на шлифуемый металл и интенсивный его нагрев;
  2. неправильно выбранным (слишком твердым) шлифовальным кругом, также развивающим чрезмерно большое давление абразивных зерен на шлифуемый металл;
  3. недостаточным охлаждением при шлифовании твердых (закаленных) сталей;
  4. биением круга, некачественной установкой детали в центрах станка.

Внешне ожоги узнаются по наличию на поверхности детали цветов побежалости, являющихся следствием образования оксидной пленки, толщина которой составляет доли микрона. При наличии малой степени ожога последующим правильным шлифованием часто удается полностью удалить некачественный и получить здоровый поверхностный слой.
Термический процесс в поверхностном слое шлифуемой детали характеризуется:

  1. весьма высокой скоростью нагрева;
  2. кратковременностью выдержки при высоких температурах;
  3. высокой скоростью охлаждения при работе с СОТС.

Тепло, возникающее при царапании абразивным зерном, с весьма большой скоростью отводится в массу детали, что объясняется:

  1. большим объемом металла детали и незначительностью объема граничного (поверхностного) слоя, получившего высокий нагрев;
  2. большой разницей между температурой высоконагретого граничного слоя и сравнительно низкой температурой основной массы детали.

На рисунке 1 приведен микрошлиф ожога, полученный при шлифовании с охлаждением детали диаметром d = 100 мм из закаленной стали 9Х, при следующих условиях: окружная скорость круга Vкр = 34 м/с, окружная скорость детали Vи = 56,5 м/мин, поперечная подача t = 0,02 мм/ход, продольная подача S = 30 мм/об.




Рисунок 1 – Микрошлиф ожога граничного слоя детали (x120).

Из рисунка 1 следует, что тонкий граничный слой 1 (толщиной 0,03 мм) имеет аустенитно-мартенситовую структуру и лежит на подушке из сильно отпущенной стали 2, имеющей трооститовую структуру (темного цвета). Трооститовый слой не является стабильным и через участки отпущенного металла переходит в исходную структуру 3 закаленной стали. Таким образом, в результате шлифования в металле поверхностного слоя произошли фазовые превращения и структурные изменения.

Изменение структуры стали (перлитное превращение) имеет место при нагреве до критической точки Ас1. Эта температура достаточна для полного перевода эвтектоидных сталей (0,81% С) в состояние аустенита при необходимой продолжительности выдержки. Для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей температура точки Ас1 является недостаточной для перевода всей системы в аустенит. В этом случае в аустенит перейдет лишь перлит, но феррит (в доэвтектоидных сталях) и цементит (в заэвтектоидных сталях) такого перехода не получают. Для неэвтектоидных сталей:

  1. нагрев до Ас3 с необходимой выдержкой при этой температуре обеспечивает перевод всей массы стали в аустенит, что имеет место при полной закалке;
  2. нагрев между Ас1 и Ас3 с необходимой выдержкой при принятой температуре обеспечивает перевод в аустенит части участков стали и присутствие феррита (в доэвтектоидных сталях) или цементита (в заэвтектоидных сталях), что имеет место при неполной закалке.

Структура, приведенная на рисунке 1, свидетельствует о наличии нагрева граничного слоя свыше Ас3 (не ниже 800...850°С) и последующего быстрого поверхностного охлаждения, в результате чего фиксируется аустенито-мартенситовая структура. Слои металла, лежащие ниже граничного слоя, имеют меньшую скорость охлаждения и поэтому получают структуру распада мартенсита (троостит или сорбит). При наличии ожога закаленной стали во время шлифования, получаем поверхностную (вторичную) закалку тончайшего слоя металла в результате весьма быстрого его нагрева, выше критической точки превращения, и фиксирования состояния твердого раствора, путем ускоренного охлаждения. Глубина поверхностного слоя металла, на которую распространяются высокие мгновенные температуры (нише Ас3), зависит главным образом от режима резания при шлифовании, твердости и степени затупления круга, твердости шлифуемой стали и других условий.На рисунке 2 приведены графики зависимостей температуры поверхностного слоя от режимов резания [2].




Рисунок 2 – Зависимости температуры поверхностного слоя от режимов резания.

Более высокому режиму шлифования соответствует большая величина слоя металла, на который распространяется высокая мгновенная температура, выше Ас3. На рисунке 3 приведен микрошлиф ожога, полученного при указанных выше условиях шлифования, но при увеличении окружной скорости детали до Vи = 94,2 м/мин. В этом случае граничный слой имеет аустенито-мартенситовую структуру на большей толщине (0,09 мм) и лежит на сильно отпущенном металле 2, имеющем трооститовую структуру и большую толщину.




Рисунок 3 – Микрошлиф ожога граничного слоя детали.

При шлифовании незакаленных (отожженных) сталей ожогов поверхностного слоя не наблюдается, так же как не наблюдается поверхностной закалки и аустенито-мартенситового граничного слоя. Объясняется это следующим: для закалки углеродистой стали (сплава железо-углерод) необходимо перевести сталь в твердый раствор, т. е. перегруппировать атомы из решетки Fea в решетку Fej, что достигается путем взаимной диффузии цементита и феррита в точке Ас3. На протекание этого процесса необходимо соответствующее время. Кратковременность выдержки при температуре рекристаллизации в процессе резания исключает возможность протекания указанной диффузии, следовательно, возможность получения аустенита в поверхностном слое. В закаленной стали с аустенитовой структурой раствор углерода в Fej уже имеется и поэтому практически мгновенный нагрев и быстрое охлаждение фиксируют граничный аустенитовый или мартенситовый слой в соответствии со скоростью охлаждения.

Из изложенного выше следует, что процесс снятия стружки абразивным зерном, протекающий при температурах рекристаллизации металла, нельзя рассматривать как процесс холодного деформирования.


Cписок литературы

  1. Маслов Е.Н. Основы теории шлифования металлов. – М.: "Машгиз", 1951. – 179 с.
  2. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г. Повышение качества шлифованных поверхностей и режущих свойств абразивно-алмазного инструмента. – Минск, "Наука и техника", 1972. – 480 с.


<< вернуться...