Шлифование металлов

1. Шлифование - это метод финишной обработки металлов, выполняемый после лезвийных операций резания и  позволяющий добиться высокой точности размеров и формы, низкой шероховатости поверхности и нормализации  напряжений в поверхностном слое заготовки.

2.  Описание процесса.

Выступающие зерна абразивного материала, имеющие высокую твердость и прочное закрепление в круге связующим (цементирующим) веществом, при вращении круга с большой скоростью (до 100 м/с) производят массовое микрорезание (царапание) поверхностного слоя заготовки, удаляя с нее в виде мелкой стружки определенный слой. Одновременное участие в работе большого числа зерен обеспечивает высокую производительность процесса абразивной обработки, а также возможность осуществления процесса резания при весьма малых глубинах, что позволяет достигать высокой точности и малой шероховатости обработанной поверхности. Чем больше зерен участвует в резании, тем меньше шероховатость. Из природных минералов применяют корунд, наждак, кварц, кремень, алмаз. К искусственным материалам относятся электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, кубический нитрид бора и синтетические алмазы.

Шероховатость – это совокупность микронеровностей (чередующихся выступов и впадин) с относительно малым расстояниями между их вершинами. (1)




Как правило, операцию шлифование разделяют на черновую, чистовую, суперфинишную обработку и притирку. Важнейшей характеристикой абразивного инструмента является зернистость абразивных зерен. Зернистость существенно влияет на качество шлифуемой поверхности:  для чистовой обработки применяют мелкозернистый инструмент, для черновой – крупнозернистый. Размер зерен колеблется от 3,5 до 5000 мкм. Номера классов шероховатости относятся к стандартам ISO 8501-1  по шероховатости поверхности, что связано со значением Ra и находится в диапазоне от 1 до 12. Меньший номер класса означает высокое качество обработки. Например, поверхность с градацией 1 более гладкая и тонкая, чем 2, и так далее. Для достижения требуемого класса чистоты металла используют различные методы шлифования, такие как механическое шлифование с использованием абразивных материалов, химическое шлифование с применением специальных растворителей или электрошлифование с использованием электрического тока. Важно выбрать подходящий метод и инструменты для каждого конкретного случая, учитывая требуемый класс чистоты и состояние поверхности металла. Шлифование металла класса чистоты позволяет получить качественный результат и обеспечить долговечность и надежность металлической конструкции.

3. Условия, влияющие на качество обработки

Для достижения желаемых результатов шлифования необходимо обеспечить соответствующие условия обработки, влияющие на процесс:

- сопоставление трибологических характеристик пары трения шлифовальный круг/заготовка

- тип смазывающее - охлаждающей жидкости

- способ ее подачи

- параметры шлифования ( тип и скорость шлифовального круга, интенсивность подачи СОЖ)

Мы не будем останавливаться на всех перечисленных условиях обработки, а остановим внимание на типе СОЖ и способе ее подачи.

СОЖ для шлифования играют важную роль в обеспечении оптимальных условий работы шлифовального процесса и улучшения его эффективности. Вот несколько вариантов СОЖ, которые могут использоваться для шлифования:

- Масляные СОЖ, включая MQL: Это маловязкие  масла, которое обеспечивает хорошую смазку и охлаждение. Они могут быть синтетическими или минеральными, и выбор зависит от конкретных условий работы.

-  Водорастворимые СОЖ: жидкости имеют высокую степень растворимости в воде и имеют более низкую вязкость по сравнению с масляными СОЖ. Они обычно используются для шлифования легких нелегированных сплавов.

- Синтетические СОЖ:  продукты изготавливаются с использованием искусственных соединений и имеют лучшие характеристики, чем другие типы СОЖ. Они обладают отличной смазкой и охлаждением, а также дольше сохраняют свои свойства в процессе работы.

-  Масла на основе растительных масел:  продукты все больше привлекают внимание благодаря их биоразлагаемости и низкой токсичности. Они обеспечивают хорошую смазку и охлаждение, а также могут быть эффективны в некоторых специфических приложениях.

Всегда важно подобрать подходящий СОЖ, опираясь на конкретные требования вашего процесса и материала, который вы обрабатываете.



Тепло, возникающее в зоне контакта поверхностей, приводит к физико-химическому и механическому взаимодействию контактирующих поверхностей. В результате активная поверхность шлифовального круга изнашивается, происходит изменение ее микро- и макрогеометрии, что негативно сказывается на процессе и конечном результате процесса шлифования. Важнейшей задачей СОЖ является отвод тепла от зоны контакта, а также смазывание  поверхностей  трения.
Износ абразива приводит к затуплению режущих кромок и образованию квазиплоских поверхностей на вершинах зерен, возникающих при возникновении усталости абразивного материала от переменных механических и термических нагрузок. Происходит постепенное  изменение формы зерен и режущей поверхности круга, что приводит к снижению эффективности шлифования и ухудшению качества обработки. При прогрессирующем износе шлифовального круга  наблюдается процесс все более интенсивного выделения тепла. В случае, если поток тепла не может быть эффективно отведен, то это может привести к негативным изменениям физико-химических и механических свойств поверхности обрабатываемой заготовки. Негативное воздействие тепла проявляется в виде заусенцев, структурных изменений, появлением микротрещин и повторных напряжений. Крайне важным фактором в данном процессе является правильный выбор СОЖ и способ ее подачи в зону обработки. Постараемся подробнее рассмотреть указанные вопросы.

4. Выбор СОЖ

Производители шлифовальных станков ведут интенсивные исследовательские работы в области смазочно-охлаждающих жидкостей. Данные жидкости делятся на два основных типа:

- водорастворимая эмульсионная СОЖ

- масляная СОЖ с использованием метода MQL (Minimum Quantity Lubrication)

Рассмотрим более подробно метод MQL. Методе MQL заключается в  непрерывной генерации масляного тумана и подача его непосредственно в зону шлифования. В качестве смазывающего материала чаще всего применяются синтетические эфиры жирных спиртов, а в последнее время,



в свете экологичности и биоразлагаемости, растительные масла. По расчетным данным MQL скорость подачи смазочной среды составляет от 10 до 500 мл/ч. Для сравнения водно-эмульсионная СОЖ подаваемая при шлифовке, в зависимости от вариаций насосного оборудования,  подается в количестве от 300 000 до 1 200 000 мл/ч. Исследования показывают, что метод MQL обеспечивает лучшее проникновение масляных частиц и позволяет осуществлять углубление (проникновение) на более высоком уровне, чем водная СОЖ.

5. Преимущества метода MQL

Использование метода подачи MQL способствует уменьшению износа активных режущих поверхностей, что позволяет сохранять остроту в течение более длительного времени работы по сравнению с водной эмульсией. Также данный метод позволяет стружке более свободно скользить по поверхности шлифовального круга, что уменьшает трение между стружкой и рабочей поверхностью, а также позволяет облегчить удаление продуктов шлифования из зоны резания. Также преимуществом MQL является возможность избежать значительного уплотнения шлифовального круга, что обеспечивает лучшее скольжение в месте контакта зерна и поверхностью заготовки. Итак, подведем итоги основных преимуществ подачи масляной СОЖ методом MQL:

- уменьшение износа

- снижение трения (температуры)

- удаление продуктов шлифования (стружки)

- минимизация уплотнения шлифовального круга

Но необходимо также указать, что основным недостатком является высокая стоимость данного продукта.

6. Исследование степени износа шлифовального круга. Приведем данные исследований объемного износа шлифовального круга Vs и времени шлифования для водорастворимой СОЖ и метода MQL , опубликованные в Научно-технический журнал "Advances in Science and Technology

Research Journal 2023", (2):

Условия проведения исследования:

Шлифовальный станок с плоской поверхностью SPG 30/80 производства Jotes S.A.

Шлифовальные абразивные круги:

размеры круга: 350×40×127мм  Molemab (Италия)

GW-1 - зерна обычного белого электрокорунда

GW-2 - зерна субмикрокристаллического спеченного корунда

GW-3 -  зерна микрокристаллической спеченной керамики RECERAMAX™

СОЖ водорастворимая AQUAMET 104 концентрация 5%, скорость подачи 12 литров/мин

СОЖ масляная Ecolubric Е200 на основе рапсового масла холодного отжима, давление подачи воздуха = 0,6 мПа,  2 сопла,  скорость подачи 100 мл/ч

перифирийная скорость  шлифовального круга = 27,2 м/с

скорость подачи заготовки = 10 м/мин

скорость вращения шлифовального круга _ns = 1490 об/мин

тип сплава: 145Cr6

Система подачи масла Ecolubric MQL Booster - генератор масляного тумана с двумя внешними форсунками

7. Выводы:

Наибольшие потери рабочего объема шлифовального круга GW-1  при прочих равных мы наблюдаем на водорастворимой эмульсии СОЖ, где наблюдается резкий скачок износа после 30-ой секунды, особенно для шлифовального круга белого электрокорунда.  Наименьший износ на водной эмульсии  мы наблюдаем на шлифовальном круге с обычными керамическими зернами. Шлифование с методом подачи MQL показывает минимальный износ на микрокристаллических зернах и уменьшение износа до 30% по сравнению с водорастворимой СОЖ.

8. масляные СОЖ Petrofer для шлифования:

Масляные СОЖ  Petrofer MQL:

Водорастворимые СОЖ Petrofer

9. Используемая литература и материалы:

1. Шлифование и расчет параметров процесса резания при шлифовании:

учебно-метод. пособие / В.Д. Александров, Калачёв Ю.Н., Кудряшов Б.А., Морщилов М.В.. – М.: МАДИ, 2019. – 44 с.

2. Научно-технический журнал "Advances in Science and Technology Research Journal 2023", 17(3), 1-18  авторы: Войцех Стахурски, Рышард Дембковски, Радослав Росик, Роберт Свенци