АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА

S.C.Black, V.Chiles, A.J.Lissaman, S.J.Martin. Principles of Engineering Manufacture. Third edition, London: Arnold, 1996. - P.372-373;p.376-380.

Введение

Обработка материалов абразивом имеет возрастающее значение не только в машиностроительной промышленности, но и во многих других промышленностях. Абразивная обработка является конечной обработкой, поэтому могут быть получены высокие допуска. Абразивом могут быть обработаны очень твердые материалы.
В отличие от большинства режущих процессов, при абразивной обработке отдельные режущие кромки имеют случайное расположение и ориентацию. Так как частицы, обеспечивающие режущую кромку, уменьшаются, глубина зацепления также должна быть меньшей, и эти факты приводят к переменному образованию стружки, так как любое отдельное абразивное зерно может встречаться в процессе обработки с положительным, равным нулю, или, в большинстве случаев, отрицательным передним углом. Таким образом, частицы могут только деформировать поверхность или могут формировать стружку. Так как только определенное количество зерен в действительности шлифуют, а остальные поглощают энергию без резания, поэтому энергия, необходимая для шлифования во много раз больше, чем при резании материала другим способом. Это все способствует выделению большого количества тепла.

Шлифование

Соединением с подходящим связующим веществом абразивный материал может быть сформирован в осесимметричный круг, сбалансированный для высокой скорости вращения. Процессы шлифования, использующие такие круги, имеют геометрию стружкообразования, похожую, как и при фрезеровании с крупнозернистыми кромками, которые выступают из поверхности круга, действующие как маленькие режущие зубья, но с произвольными углами резания. Когда обработка производится периферией круга, рисунок 1, стружкообразование происходит при аналогичных геометрических условиях со встречным и попутном фрезерованиями, зависящем от направления рабочей подачи по отношению к вращению круга. При шлифовании торцем круга, рисунок 2, геометрические условия похожи на торцевое фрезерование.

Рисунок 1 - Плоское шлифование переферией круга

Рисунок 2 - Плоское шлифование торцем круга
Главное различие между режущим действием шлифования и фрезерования заключаются в следующем:
1. Шлифующие зерна достаточно твердые для того, чтобы обрабатывать вполне закаленные стали твердостью порядка 850 HV.
2. Режущие углы шлифующих зерен имеют случайную геометрию.
3. Шаг режущих кромок шлифующих зерен намного меньше, чем у зубьев фрезы.
4. Размер сошлифованной стружки очень мал при шлифовании, по сравнению с фрезерованим.

Любое серьезное изучение процесса шлифования осуществляется при помощи исследования структуры шлифовального круга и мелкой металлической стружки на микроскопе с малым увеличением. Если имеется в распоряжении измеряющий микроскоп, то могут быть приблизительно определены размеры абразивных зерен и сошлифованной стружки. Широкая лента прозрачной липкой полосой, обернутой внешней стороной вокруг стальной линейки, удерживается в потоке искр, получаемых при шлифовании. Это используется для того, чтобы собрать экспериментальные образцы стружки.

Рисунок 3 - Стружка, полученная при плоском шлифовании (тридцатикратное увеличение) мягкой стали переферией круга, круг - A 46 L4 V

Рисунок 4 - Стружка, полученная при плоском шлифовании (тридцатикратное увеличение) мягкой стали торцем круга, круг - A36 G 10 V
Рисунки 3 и 4 основаны на микроскопическом исследовании малой металлической стружки, полученной при шлифовании. Они изображают форму стружки, полученную при плоском шлифовании на горизонтально-шпиндельном станке по сравнению с более длинной стружкой, сформированной на вертикально-шпиндельном станке. Маленькие сферы являются стружкой, которые свернуты в спираль и сплавлены вместе.

Сила и мощность при шлифовании

Скорость резания при шлифовании всегда высокая, у нее существует верхний предел, ограниченный как допускаемыми напряжениями, возникающими под действием центробежных сил, так и верхним пределом частоты вращения используемого шпинделя. Круги на керамической связке могут быть использованы до скоростей резания 1800 м/мин; круги на эластичной связке могут быть использованы для более высоких скоростей резания, вплоть до 4800 м/мин для отрезных абразивных кругов. Для внутреннего шлифования маленьких отверстий скорость резания не может превышать 760 м/мин благодаря ограниченным скоростям ведущего ремня и подшипников. Круг диаметром 10 мм должен вращаться приблизительно с частотой 25000 об/мин, чтобы достичь эту скорость. Были разработаны подшипники со специальными необходимыми механизмами, приводящими их в действие, с частотой вращения 10000 об/мин. Но нагрузки подшипников должны быть незначительными.
Силы резания при шлифовании сложно измерить. В настоящее время возможно подсчитать только приблизительно силы, которые действуют на отдельные зерна. Общая механика может быть применена к шлифованию, такая же, какая применяется к однолезвийному концевому инструменту. Сила, действующая на шлифующее зерно по направлению к скорости, определяется:

T=K_c×площадь резания

Трудно получить точное значение силы резания на зерне или площадь поперечного сечения срезанной стружки. Поперечные сечения прорезанных царапин отдельными зернами могут изменяться благодаря случайной геометрии шлифовальных зерен, а любая попытка определить максимальное значение толщины стружки, а отсюда и максимальную силу на шлифующем зерне, является непременно приблизительным значением. Следующее выражение дано для определения толщины стружки при плоском шлифовании:

where v - рабочая подача, м/мин.
        V - скорость резания, м/мин.
        C - количество режущих зерен на 1 мм2 на поверхности шлифовального круга.
        r - соотношение ширины и глубины прорезанной зерном царапины.
        d - глубина резания, мм.
        D - диаметр шлифовального круга, мм.
        C - измерен вращением шлифовального круга на куске задымленного стекла, под микроскопом подсчитывается оставшиеся отпечатки, где вершины зерен пронизывают дымовую пленку.
         r - измерен конусом, делящим на части поверхность заготовки так, что отношения ширины к глубине прорезанной царапины шлифующим зерном может быть определено с приемлемой точностью.
      Это выражение для определения толщины стружки возможно проверить следующим образом.
      Рассмотрим всё сечение шлифовального круга в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, в котором абразивные зёрна расположены с острыми выступающими вершинами как показано на рисунке 5 с промежутком 1/N мм друг от друга (отдельно), где N – количество шлифовальных зерен на миллиметр поперечного сечения периферии круга. По аналогии с фрезерованием, уравнение для определения максимальной толщины стружки имеет вид: t = 2f_g(d/D)^0.5, где f_g - рабочая подача на абразивное зерно и t - равномерная толщина через всю резания. Это может быть очень просто показано: f_g, определяется как v/NV, так что для плоского шлифования

Рисунок 5
Рассмотрим площадь удаленного металла параллельно торцу (вдоль ширины) круга шириной s в месте максимальной толщины стружки.

Эта площадь удалена в действительности последовательностью абразивных зерен и рисунок 6 показывает возможное условие для удаляемого металла одним шлифующим зерном. Площадь резания при максимальной толщине стружки tb/2.

Рисунок 6 - Типичное поперечное сечение абразивного зерна
      Несмотря на то, что шлифующие зерна имеют случайную геометрию, существуют лабораторные методы, которые дают возможность определить средне соотношение r ширины к глубине t резания из эксперимента.
      Заменой b=tr зона (площадь) резания, изображенная на рисунке 6, становиться t²r/2.
      Общая площадь удаленного металла вдоль ширины круга зависит от N и s; суммарная удаленная площадь следовательно Nst²r/2   (3)
      Приравнивая уравнения (2) и (3)

но N²=C по определению:

      Самая маленькая величина толщины стружки встречается при шлифовании. Точно определенная глубина резания, использованная для чистового резания на прецизионной обработке, приблизительно в 10 раз меньше одной установленной, которая предполагается для таких видов обработки.
      Следующие данные относятся к величине сил и мощности, которые встречаются при прецизионном шлифовании, полученные из исследовательских документов Грисбруком (1960):
         Скорость резания 525 м/мин
         Рабочая подача 10.98 м/мин
         Ширина резания 12.7 мм
         Глубина резания 0.0076 мм
         Обрабатываемый материал, твердость стали 800 HV
         Круг WA 46 JV

     Грисбрук разработал динамометр для измерения горизонтальной и вертикальной сил, действующих на заготовку во время плоскошлифовальной операции. Для приведенных данных, тангенциальная сила на шлифовальном круге была приблизительно 62,3 Н, мало отличающаяся величиной, после того, как этому шлифованию предшествовала правка круга.
     Для определения площади контакта шлифовального круга и заготовки, для значений C для круга зернистостью 46 возможно, что около 18 абразивных зерен или около того должны резать одновременно, и что тангенциальная сила на зерне должна быть около 3,47 Н.
      Очень маловероятно то, что сила так равномерно распределена. Притупленное зерно может иметь большую силу, чем средняя действующая на него, если обычные рассуждения для однолезвийных концевых инструментов применяются к шлифованию.
      Скорость удаляемого металла, достигаемая под приведенными условиями, определяется:

      Это удивительно высокое значение сравнено с величинами, полученными при резании стали однолезвийными концевыми инструментами и при фрезеровании. В документации Грисбрука показано, что значение почти так высоко для назакаленных сталей твердостью 200HV. Для прецизионного шлифования стали критерий мощности – Ватт, не зависит в большей степени от значения твердости обрабатываемого материала.
      Некоторые ученые склонны рассматривать вышеуказанное отношение с точки зрения удельной энергии, то есть энергия, необходимая для удаления 1 мм ² металла обозначается U_s=Выполненная работа/объём
      Единица U_s это Нм/мм³=Дж/мм³ переводимая в единицы удельной энергии как следующее: U_s=89.7 Дж/мм³
      Грисбрук смог показать, что величина U_s снижается поскольку, скорость удаления металла, увеличенная возрастанием рабочей подачи или глубины резания, то есть толщина стружки увеличивается. Это обстоятельство будет сравнено с наблюдаемым падением удельного давления резания с увеличением известной толщины стружки по отношению к встречающейся при однолезвийной обработке.
      Падение величины U_s пока скорость удаления металла в среднем увеличивается, мощность, необходимая для шлифования при тяжелых скоростях удаления металла может быть ниже, чем 89,7 Дж/мм³/с , определенное выше, и среднее значение его 30 приблизительно справедливо и для сталей. Размер двигателя на современном шлифовальном станке отражает высокую мощность, необходимую для шлифовальных процессов. Одна теория движется вперед к объяснению повышения U_s, которая сопровождает уменьшение толщины стружки, и это - тангенциальная сила на шлифовальном круге содержит в себе большую составляющую часть силы трения из-за трения абразивных зерен обрабатываемому изделию. Трущаяся составляющая не снижается, в то время как толщина стружки уменьшена, отсюда поглощенная энергия при удалении единицы объема металла возрастает.

Биография Результаты поиска Ссылки по теме Автореферат Достопримечательности Узбекистана Электронная библиотека

Главная страница ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ