Введение. Известно, что тепловые процессы в зоне контакта при шлифовании ответственны за недостаточную производительность, низкое качество обработанных поверхностей, повышенный расход абразивного инструмента [1]. До настоящего времени не установлена природа теплового источника, вызывающего высокотемпературный нагрев и создающего предпосылки для адгезионно-диффузионного износа абразивных зерен.
В работах [2, 3,4] высказана гипотеза и приведены теоретико-расчетные под-тверждения того, что тепловой источник в зоне контактного взаимодействия имеет природу не чисто механическую, а механо-химическую. При этом механическая составляющая, рассчитываемая по силе резания (Рz, V), играет роль энергии ак-тивации протекания целого ряда физико-химических процессов. Таким образом, зона контакта должна рассматриваться не только как место превращения (трансформирования) одного вида энергии в другой (механической в тепловую), а местом генерирования тепловой энергии. Руководствуясь такими представлениями о природе теплового источника, был рекомендован целый ряд веществ в качестве наполнителей в абразивные массы для шлифовальных кругов, а также компонентов СОЖ, использование которых дало существенный положительный эффект.
Однако без дальнейших исследований теоретические результаты остаются бездоказательными, что может привести к принципиально неверным научным утверждениям и практическим рекомендациям. К тому же теоретические исследования и попытки физического моделирования весьма затруднены в связи с нетривиальностью схемы, взаимовлиянием одновременно нескольких полей – силового, температурного, деформационного, термодинамической неравновесностью, влиянием трудноконтролируемой среды на всех этапах протекания процессов.
Конечные продукты взаимодействия – шлифовальный шлам, рабочая поверх-ность абразивного инструмента, обработанная поверхность – являются своеобразным индикатором-свидетелем тех превращений, которые протекают с их участием. К тому же возможности прямого наблюдения за зоной контакта ограничены в связи с быстротечностью процесса, труднодоступностью зоны.
Исследуя конечные продукты контактного взаимодействия, имеется возмож-ность подтвердить сам факт и установить степень химических превращений, инициируемых механической составляющей теплового источника.
Известно [5], что в шлифовальном шламе наряду с витой стружкой имеются тела сферической формы, являющиеся, по мнению авторов, продуктом окисления расплавившихся частиц металла. Это предположение в рассматриваемой публикации исследованиями не подкреплено.
В абразивных кругах на бакелитовой связке, последняя имеет буровато-красную окраску, состоит из различных по форме, размерам и составу кристаллических и стекловидных частиц, многофазна. Участки связки, обедненные аморфной составляющей смолы, хрупкие, легко выкрашиваются при изготовлении шлифа. При эксплуатации кругов с такой связкой выкрашивание происходит блоками одновременно с абразивными зернами. Связка сохраняется только на контакте с единичными зернами электрокорунда. Некоторые из них несут слабые следы механического разрушения – скалывания.
В опытных кругах с добавками сернокислого аммония связки и абразивных зерен при изготовлении шлифа сохраняется значительно больше. Они более ин-тенсивно раздроблены и прочнее удерживаются связкой. Это подтверждает более высокие эксплуатационные характеристики опытных кругов.
Следует отметить, что связка в зоне резания претерпевает заметные изменения. Кристаллическая микроструктура ее остекловывается. Наблюдается процесс перекристаллизации смолы и превращение ее в стекловидную, что сопровождается изменением окраски – вместо темных, присущих обычной связке, появляются светлые тона желтого и красного цвета. Изменяются также оптические константы – показатель светопреломления понижается с N = 1,690-1,707 для обычной смолы до 1,609-1,602. В некоторых участках метаморфизованной смолы наблюдаются новообразования в виде тонких прожилок или следы улета газовой фазы. Эти изменения являются следствием влияния газовой среды нового состава, образующейся в зоне контакта при шлифовании кругами, содержащими сернокислый аммоний, так как все остальные условия эксперимента были неизменными. Следует отметить, что новые вещества образуются в местах контакта обрабатываемого металла не только с зерном, но и со связкой. Этот факт под-тверждает мнение об участии связки в физико-химических превращениях при шлифовании.
Таким образом, введение сернокислого аммония в зону контакта, который разлагается под действием температуры шлифования с выделением газообразных составляющих, вызывает насыщение смолы газовой фазой и их взаимодействие. Видоизмененная бакелитовая смола приобретает новые физические свойства – становится менее хрупкой, способной к повторному закреплению раздробленного абразивного зерна», дольше удерживает зерно в теле круга.
Различное поведение исследуемых материалов в зоне контакта хорошо прослеживается по степени окисления металла, налипшего на рабочей поверхности круга – на зернах и межзеренном пространстве. Наиболее интенсивно окисляется поверхность стружки сплава ВТ8 с образованием корочки – окалины. В меньшей степени окисление проявляется у сплавов ВТ3 - 1 и ОТ4 - 1.
Термохимически активная среда, формируемая в зоне контактного взаимодействия, изменяет характер стружкообразования, способствует диспергированию стружки. Различие характера стружкообразования, вида стружки и степени ее окисления могут быть следствием нескольких причин. Во-первых, активная технологическая среда проявляет пластифицирующее действие на тонкий поверхностный слой обрабатываемого металла. Во-вторых, в зоне контакта может формироваться защитная микроатмосфера, в частности, восстановительная. Например, роль активного компонента такой среды может играть атомарный водород, образующийся вследствие разложения полимерной связки абразивного инструмента или полимерсодержащих компонентов смазочно-охлаждающих технологических сред. В-третьих, пластифицирующее облегчение процесса диспергирования и уменьшение объема окислительных реакций, имеющих экзо-термический характер, приводит к снижению мощности теплового источника и, как следствие, уменьшению контактных температур. Не меньший интерес представляют и абразивные частицы, количество которых в шламе серийных проб больше, чем опытных. Кроме того, здесь присутствуют преимущественно целые или слабо раздробленные зерна корунда, а в опытных пробах подавляющее большинство их носит осколочный характер.
В отличие от глобулей, полученных при шлифовании титановых сплавов, имеющих гомогенную структуру, глобули из стали 12Х18Н10Т являются неоднород-ными. В этом, видимо, проявляется влияние железа, как шпинелеобразующего элемента. При шлифовании титановых сплавов, когда в зоне взаимодействия отсутствует железо, окислы титана и легирующих элементов за время контакта не успевают пройти стадию кристаллизации. Присутствие железа во втором случае резко повышает скорость кристаллизации и того же времени контакта оказывается достаточно для появления в глобулях гетерогенной структуры.
При шлифовании серийным кругом стружка стали 12Х18Н10Т имеет вид сливной достаточно большой длины. Введение в абразивную массу одного процента сернокислого аммония приводит к изменению и размеров, и вида стружки. Она становится более короткой и по виду приближается к стружке скалывания. При увеличении количества сернокислого аммония до 10% эти изменения в стружке еще более заметны. Такие же изменения наблюдаются в структуре глобулей. При работе серийным кругом в структуре глобулей наблюдается кристаллов шпинели не более 15% по объему. Остальное – субокислы. При работе кругом с однопроцентной концентрацией сернокислого аммония содержание шпинели в глобуле достигает 35%. При увеличении концентрации сернокислого аммония до 10% количество шпинели повышается до 70%. Это отражается и на внешнем виде глобуля, который изменяется от плотного монолитного до рыхлого, некомпактного. Результаты исследования рабочей поверхности абразивного круга и шлифовального шлама, выполненных с помощью петрографического и химического анализов, свидетельствуют о том, что в зоне контакта протекают с большой интенсивностью физико-химические превращения, которые могут повлечь за собой значительные энергетические изменения системы. Существенное влияние на эти процессы оказывает и вид абразивного зерна, его химический состав и модификация, и компоненты связки и наличие в ней специальных наполнителей, и состав шлифуемого материала, его основа и наличие в нем легирующих элементов. Как отмечалось ранее, достаточно простым технологическим приемом, изменяющим в желательном направлении химические преобразования, является подача в зону взаимодействия веществ специального назначения. На примере сульфида аммония показано, что с помощью этих веществ можно управлять химической обстановкой и, следовательно, эффективностью процесса резания.
1. Экспериментально подтверждена гипотеза о механо-химической природе теплового источника, возникающего в зоне контактного взаимодействия.
2. Путем подачи в зону контакта термохимически активных веществ представляется возможным в широких пределах изменять мощность теплового источника. Это открывает принципиально новые пути повышения эффективности процесса резания материалов.
1. Худобин Л.В., Веткасов Н.И., Михайлин С. М. Моделирование теплонапряженности круглого наружного врезного шлифования композиционными кругами/ Сучасні технології у машинобудуванні: Збірник наукових статей/ За заг. ред. А.І. Грабченка. Т. 2. – Харків: НТУ „ХПІ”, 2006. – С. 285-296.
2. Цокур А.К. Исследование механо-химической природы теплового источника при резании металлов // Новые конструкционные материалы и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности: Teз. докл. Всесоюз. научн. техн. конф. 10-14 октября 1986. – Запорожье, 1986. – С. 235-236.
3. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. – М.: Машиностроение, 1979., 152 c.
4. Цокур А.К. Термодинамическое описание процессов контактного взаимодействия при механической обработке // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. № 1-2, Запорожье, 1997. – С. 77-78.
5. А.С. 406715. МКИ В24Д 3/34. Абразивная масса/ Цокур А.К. (СССР). – Заявлено 09.07.1973. Опубл. 1974., Бюл. №10. – 2 с.
6. Магафуров А.М., Пицына Л.Г., Ивашинников В.Г., Зубов А.С. Исследование продуктов взаимодействия кругов с металлом при силовом обдирочном шлифовании/ Научн.-техн. реф. сб. «Абразивы». – М.: НИИМаш, 1979. – Вып 3. – С. 2-4.
7. Кожевников Г.Н., Водопьянов А.Г. Низшие окислы кремния и алюминия в элек-трометаллургии. – М.: Наука, 1977. – 144 с.