CC BY
18
УДК 621.922
Фотометрический анализ стружки после шлифования различных сталей*
Д. В. Ардашев
Ключевые слова: зона шлифования, стружкообразование, фотометрия.
Введение
Характерной особенностью процесса шлифования является то, что удаление припуска с заготовки осуществляется отдельными абразивными зернами. В результате образуется большое количество мелких стружек. Анализ получившихся стружек представляет интерес прежде всего с точки зрения изучения механики резания при шлифовании, образования поверхности стружки и выявления геометрических особенностей зоны пластической деформации.
Данный вопрос рассматривался в ряде статей. Так, в исследованиях С. Н. Корчака отмечались виды стружек, полученных при круглом шлифовании: длинные, иногда витые нити, с большим отношением длины к толщине [1]. Согласно работе Е. Н. Маслова, стружки бывают трех типов: ленточные, запятообразные, сегментообразные [2]. Г. Б. Лурье и В. Н. Ко-миссаржевской было установлено, что стружка может быть сливной, стружкой скалывания, оплавленной [3]. Более подробный анализ продуктов шлифования выполнен А. М. Мага-фуровым, Л. Г. Пицыной и др. [4]. Сделанные ими снимки свидетельствуют о наличии в шламе после шлифования стали стружек в виде пластинок, узких длинных лент и шариков.
* © Д. В. Ардашев, 2010
В исследовании А. В. Приемышева, А. Н. Щукина и А. А. Приемышева выполнен морфологический анализ стружек после шлифования сталей 45 и Х18Н10Т на скоростях 35-100 м/с, а также после микрорезания единичными абразивными зернами [5]. В данной работе рассматриваются тонкие длинные нитевидные стружки, имеющие следы пластической деформации. Таким образом, перечисленные труды представляют разрозненные данные о геометрических особенностях стружки после шлифования, не содержат какой-либо классификации их формы и описания иных видов стружек, образующихся после шлифования.
В настоящем исследовании поставлена задача выполнить по возможности полный и качественный фотометрический анализ шлама после шлифования на более высоком современном аппаратном уровне, с применением электронного сканирующего микроскопа JSM 6460LV (JEOL, США) методом цифровой фотометрии.
Исследование стружек разной формы
Шлам, образованный в результате плоского шлифования высокопористым шлифовальным кругом сталей различных марок (45, 40Х, 40ХН, 38ХГН, 12ХН3А), был собран, высушен и сепарирован магнитом. На металлической
№ 4 (58)/2010
Рис. 1. Общий вид шлама после шлифования стали 40ХН, увеличение х100
подложке закрепляли специальный двусторонний скотч, на который препарировалась стружка. Ниже приведены снимки стружек различной формы, являющиеся характерными для всех перечисленных марок сталей.
Для получения снимков высокого качества исследование стружки после шлифования проводилось во вторичных электронах. Было выполнено 8-10 общих фотоснимков каждого шлама с увеличением х100, которые дают общее представление о геометрии и примерном соотношении стружек разной формы в общем объеме шлама. После анализа установлено, что в шламе после шлифования образцов всех марок сталей присутствуют широкие стружки (длинные и короткие), длинные тонкие, сферические и бесформенные стружки в виде осколков. В шламе после шлифования стали 40Х преобладают в основном длинные тонкие стружки, часто завивающиеся в спираль, редко встречаются короткие широкие стружки, изогнутые в продольной плоскости. Анализ шлама после шлифования стали 40ХН показал, что преобладают стружки сферической формы, также присутствуют длинные тонкие стружки, короткие широкие стружки встречаются крайне редко (рис. 1). Шлам после шлифования сталей 38ХГН и 12ХН3А содержит все четыре перечисленные группы стружек, однако в случае со сталью 12ХН3А в шламе гораздо больше длинных тонких стружек, чем в шламе после шлифования стали 38ХГН. Современное состояние микроскопической техники позволяет выполнить фотометрический анализ отдельных стружек после шлифования.
Широкие стружки
На передней поверхности широких стружек создаются пластические навалы элементарных объемов обрабатываемого материала. Задняя
Рис. 2. Широкие стружки после шлифования сталей: а — 40ХН, увеличение х550; б — 38ХГН, увеличение х700
поверхность, контактировавшая с абразивным зерном, имеет продольные борозды, появление которых вызвано наличием микрорельефа на поверхности абразивного зерна, по которой сходит стружка. Предполагается, что по этим бороздам происходит расщепление широкой стружки на более тонкие и длинные (рис. 2, а). Короткие широкие стружки отличаются тем, что в основном изогнуты в продольной плоскости, это свидетельствует о неравномерном усилии резания вдоль режущей кромки отдельных рабочих зерен круга (рис. 2, б).
Длинные тонкие стружки (сливные)
Длинные тонкие стружки представляют собой полосы металла, закрученные в спираль (рис. 3, б) или в дугу, с характерными навалами на передней поверхности (рис. 3, в), которые образовались в результате пластической подвижки в обрабатываемой поверхности, и относительно гладкой задней поверхностью, на которой, так же как и на широких стружках, присутствуют продольные борозды (рис. 3, а).
Рис. 3. Длинные тонкие стружки после шлифования сталей: а — 40Х, увеличение х300; б — 40ХН, увеличение х600; в — 38ХГН, увеличение х600
По аналогии с терминологией, относящейся к лезвийной обработке, такие стружки можно называть сливными.
Также характерной особенностью сливных стружек являются рваные, неровные края. Она возникает в силу того, что под влиянием особенностей геометрии рабочей поверхности абразивного зерна в процессе образования широких стружек происходит их расщепление на тонкие и длинные стружки. Данное предположение подтверждает рис. 2, а, на котором видно начало такого расщепления.
Шарообразные стружки (глобулы)
Шарообразные стружки уже были рассмотрены в многочисленных работах исследователей-шлифовщиков [1-5]. Фотоснимки позволяют отчетливо рассмотреть текстуру поверхности глобулы. В случае шлифования стали 40ХН и 12ХН3А (рис. 4, а, в) поверхность глобулы представляет собой неоднородные черепки с четко прослеживаемыми границами. Размер черепков составляет 20-60 и около 10 мкм для сталей 40ХН и 12ХН3А
Рис. 4. Шарообразные стружки (глобулы) с разной текстурой поверхности после шлифования сталей: а — 40ХН, увеличение х850; б — 38ХГН, увеличение х1350; в — 12ХН3А, увеличение х600; г — 45, увеличение х2000
соответственно. Поверхность глобулы после шлифования стали 38ХГН (рис. 4, б) состоит из чешуек примерно одного размера (чуть меньше 10 мкм), по-видимому, последние расположены более плотно, поскольку четких границ между ними не прослеживается. Глобула, полученная после шлифования стали 45 (рис. 4, в), вызывает интерес прежде всего благодаря наличию некоторого полюса и мелкодисперсной структуры (размер зерна — 2-5 мкм).
По-видимому, различия по текстуре глобул связаны с разными механизмами их образования, что, в свою очередь, зависит от химического состава обрабатываемого материала. Этот аспект требует специального исследования и в данной статье не рассматривается.
Стружки в виде головастиков
Такого рода стружки обнаружены в только шламе после шлифования сталей 40ХН и 38ХГН, их снимки приведены на рис. 5. В литературе, перечисленной выше, нет сведений о стружках подобной формы, именно
поэтому стоит рассмотреть их более подробно.
Прежде всего, обращает на себя внимание тот факт, что в шламе после шлифования сталей 40ХН и 38ХГН обнаружены стружки в виде головастика, как сформировавшиеся в процессе образования длинной тонкой стружки, цельные (рис. 5, а, в), так и имеющие признаки механического внедрения сливной стружки в глобулу (рис. 5, б, г). По-видимому, первые образовались в результате превышения контактной температуры под одним абразивным зерном, температуры плавления [6, 7]. В начальный момент времени образования стружки формируется капля жидкого металла, которая, выйдя из-под абразивного зерна, тут же начинает остывать, тогда как зерно продолжает снимать единичную стружку в виде тонкой длинной полосы. Эти стружки двух видов образуют единое целое.
Отличительной особенностью стружек на рис. 5, б, г являются отчетливые следы механического характера соединения «хвоста» с глобулой. Есть основания предполагать, что длинная тонкая стружка образовалась в результате экструзии содержимого глобулы:
Рис. 5. Стружка в виде головастика после шлифования сталей: а, б — 40ХН; в, г — 38ХГН; а, в — цельная стружка, увеличение х1000, б, г — стружка с признаками внедрения сливной стружки в глобулу, увеличение х650 и х500 соответственно
МЕ
[АПШ
Рис. 6. Шарообразные стружки с отверстием: а — 12ХН3А, увеличение х600; б, в — 40ХН: б — общий вид, увеличение х1200; в — внутренняя полость, увеличение х2200; г — 38ХГН, увеличение х1300
в месте соединения глобулы и тонкой стружки видны корковые образования, направленные в сторону «хвоста».
При выполнении данного исследования были обнаружены формы стружек, не подпадающие под описанную выше классификацию, однако в некоторой степени подтверждающие наши предположения о характере образования стружек-глобул; это шарообразные стружки с отверстием (рис. 6). Их наличие в большом количестве отмечено в шламе после шлифования сталей 38ХГН и 12ХН3А.
Некоторые исследователи теоретически и практически доказывали факт наличия в зоне шлифования температур, близких к температуре плавления металла [6, 7]. Если допустить, что такое явление происходит и в месте контакта некоторых абразивных зерен с обрабатываемым металлом возникает теплота, количество которой достаточно для расплавления единичной стружки, то отделенная оплавившаяся стружка в виде капли жидкого металла попадает в среду с температурой ниже, чем ее собственная температура (например,
в воздух или смазочно-охлаждающие жидкости), и начинается фазовый переход из жидкого состояния в твердое. Сначала образуется наружная сферическая поверхность, в это время сердцевина стружки еще остается жидкой. Затем происходят усадка образовавшейся корки, сжатие сферы к центру, увеличение внутренних напряжений в теле глобулы и, наконец, выброс жидкого металла из сердцевины глобулы. В пользу этого предположения допустимо указать на вытянувшийся под действием внутренних сил в сторону отверстия шар (рис. 6, а). Глобулы на рис. 6, б-г также могут служить доказательством разрыва шарообразной стружки под действием внутренних сил, это видно по расположению границ трещины.
Аналогией таких процессов может служить процесс диспергирования меди в цветной металлургии, в результате которого из жидкой меди, выпускаемой струей в подогретую воду, образуются тонкостенные гранулы, часть из них лопаются, и их содержимое выбрасывается наружу [8, 9]. На основании этого
можно предположить, что подобные явления происходят и в процессе стружкообразования при шлифовании.
Выводы
В результате выполненного фотометрического исследования стружки после шлифования различных материалов установлено, что кроме описанных в технической литературе форм стружек (тонких длинных, толстых коротких, сферических) были выявлены новые формы стружек, имеющие очертания головастика и шарообразную форму с отверстием.
Высказана гипотеза относительно механизма появления таких стружек. Они могут образоваться в результате выброса жидкой, расплавленной части стружки из уже сформировавшейся глобулы.
Фотометрический анализ текстуры глобул показал существенные различия между ними по форме и размерам частиц, составляющих тело глобулы. Результаты фотометрии стружек после шлифования будут использованы для определения геометрических параметров зоны пластической деформации при абразивной обработке.
Литература
1. Корчак С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
2. Маслов Е. Н. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974. 320 с.
3. Лурье Г. Б., Комиссаржевская В. Н. Шлифовальные станки и их наладка. М.: Высшая школа, 1972. 416 с.
4. Магафуров А. М., Пицына Л. Г., Ивашинни-
ков В. Т. и др. Исследование продуктов взаимодействия круга с металлом при силовом обдирочном шлифовании // Абразивы. 1979. № 3. С. 2-4.
5. Приемышев А. В., Щукин А. Н., Приемы-шев А. А. Морфологическое исследование стружки при шлифовании и микрорезании // Инструмент и технологии. 2001. № 5-6. С. 45-50.
6. Маталин А. А. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. М.; Л.: Машгиз, 1956. 319 с.
7. Редько С. Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов. Саратов: ГСУ, 1962. 231 с.
8. Козлов В. А., Набойченко С. С., Смирнов Б. Н. Рафинирование меди. М.: Металлургия, 1992. 268 с.
9. Вольхин А. И., Евгенов А. М., Елисеев Е. И. Разработка и промышленное внедрение экологически чистого способа диспергирования меди // Цветная металлургия. 1996. № 11-12. С. 21-23.
В порядке обсуждения
Отзыв на статью Д. В. Ардашева «Фотометрический анализ стружки после шлифования различных сталей»
Необходимо отметить, что автор возвращает нас к истокам исследования процесса шлифования, но предлагает использовать для этого возможности современной приборной базы. В статье просматривается фундаментальный подход к началу глубоких физических исследований процесса шлифования. Мы уже приучили себя к тому, что исследуем лезвийную обработку на основе уравнений сплошной среды, избыточно упростив их. Затем искусственно применяем уравнения к описанию обработки шлифованием, разыскав среди стружек те, которые имеют форму, удобную для обоснования. Готов ли автор глубже исследовать процесс шлифования, подтвердить убедительными доказательствами физические условия формирования тех или иных стружек?
Вообще-то говоря, в данном случае возможен принципиально новый подход к физике взаимодействия режущего инструмента и заготовки. Ни для кого не является секретом хаотичное расположение зерен. Ведь помимо традиционного стружкообразования вполне могут протекать металлургические или похожие на них процессы, результатом которых являются коагулированные микроструктуры. Наверное, пришло время «взбодрить» теорию шлифования.
Стоит отметить несколько нерешенных вопросов в статье, требующих дальнейших исследований:
• возможность подтверждения (на уровне микроструктуры) того, что все многообразие стружек, находящихся в шламе, действительно принадлежит обработанному образцу;
• получение количественной оценки соотношения форм стружек в зависимости от изменения режимов резания.
Д. В. Васильков, д-р техн. наук, профессор
