Шлифование является одним из важнейших процессов в современном машиностроении, поскольку позволяет создавать детали с высокой точностью и безупречным качеством поверхности. Постоянное развитие технологий делает этот метод обработки всё более производительным и универсальным, что расширяет его применение для самых разных отраслей производства.

Как отмечает А.С. Янюшкин, на долю шлифования приходится значительная часть всех операций механической обработки материалов [3]. Однако существенным недостатком этого процесса является интенсивное выделение тепла, которое может негативно сказываться на качестве поверхностного слоя деталей. Чтобы решить эту проблему, ведутся активные научно-исследовательские работы по разным направлениям. Их цель – найти способы снижения тепловых нагрузок, что позволит расширить безопасные режимы резания, увеличить производительность труда и улучшить качество готовых изделий.

Сфера применения и разнообразие используемых металлов постоянно растут. Переходные металлы, благодаря своим уникальным свойствам, стали незаменимы в таких отраслях, как авиация, ракетостроение, космонавтика, энергетика, радиоэлектроника, химическая промышленность, машиностроение, металлургия, медицина и производство бытовой техники.

Однако, несмотря на широкое распространение, процессы их шлифования – финальной стадии обработки, определяющей окончательные свойства поверхности детали, – остаются недостаточно изученными. Этот пробел в знаниях серьёзно тормозит внедрение в производство новых конструкционных материалов.

Кроме того, важную роль в износе шлифовального инструмента играют химические реакции. Они активно протекают непосредственно в зоне контакта между абразивом, обрабатываемым материалом и окружающей средой. Риск возникновения таких реакций особенно велик при обработке химически активных металлов, к которым относится, например, титан. Это приводит к ускоренному разрушению инструмента и усложняет процесс обработки.

Теоретические положения базируются на научных положениях и законах физики, химии, химической термодинамики, физико-химической механики материалов, теории трения и износа материалов, теории резания. А.А. Волковский отмечает, что качество шлифованной поверхности оцениваются по результатам испытаний на долговечность специальных образцов и реальных деталей, остаточным напряжениям первого рода, микротвердости и шероховатости поверхности [1].

Изначально процесс шлифования металлов рассматривался исключительно как механическое воздействие. Исходя из этого подхода, при выборе абразивного инструмента руководствовались простым правилом: для обработки вязких (пластичных) металлов следует использовать более вязкие абразивные материалы, а для хрупких – соответственно, хрупкие. В рамках этой теории основными механизмами износа абразивных зёрен считались следующие: истирание (постепенное истирание вершины зерна, что приводило к образованию плоской площадки на его вершине и изменению шероховатости); расщепление (отделение от зерна небольших фрагментов); разрушение (откалывание крупных частиц, соизмеримых с размером самого зерна); вырывание (полное выпадение целого зерна из связки инструмента).

С появлением новых марок высоколегированных сталей, титановых, кобальтовых и молибденовых сплавов существующих представлений о механизме изнашивания стало недостаточно. На основании многочисленных исследований изнашивания абразивных материалов при микроцарапании и шлифовании различных металлов Т.Н. Лоладзе и Г.В. Бокучава выделяют три вида износа: адгезионно-усталостный, абразивный и диффузионный [2]. Адгезионный износ возникает из-за «схватывания» или прилипания материалов зерна и детали в точках контакта. При скольжении на поверхности зерна образуются и тут же срезаются так называемые адгезионные пятна. Многократное повторение этого процесса приводит к усталостному разрушению рабочей поверхности абразива. Это самый распространённый вид износа, интенсивность которого зависит от того, насколько сильно материалы сцепляются друг с другом и какую прочность имеют их контактные слои. Такой тип износа характерен, например, для шлифования титана кругами из карбида кремния и электрокорунда. Абразивный износ происходит, когда твёрдые частицы (включения) в обрабатываемом металле действуют как микрорезцы, царапая поверхность абразивного зерна. Интенсивность этого процесса напрямую связана с температурой: при нагреве твердость абразива падает. Поэтому на низких скоростях такой износ маловероятен, но с увеличением скорости резания температура абразива растёт быстрее, чем у металла. В результате твёрдость металлических включений может сравняться или даже превысить твёрдость затупившегося зерна, что и вызывает появление царапин на его задней поверхности. Диффузионный износ представляет собой процесс растворения материала абразивного зерна в обрабатываемом металле. Этот механизм активируется под воздействием трёх ключевых факторов: химического сродства между материалами, очень высоких температур в зоне резания и контакта чистых, ювенильных поверхностей.

Обработка титана и его сплавов шлифованием – сложная технологическая задача, обусловленная уникальными свойствами этого металла: низкой способностью проводить тепло, высокой вязкостью и сильной склонностью к налипанию. Для эффективного решения этой проблемы требуется комплексный подход.

Ключевые трудности при обработке:

— интенсивное тепловыделение: из-за высокого трения в зоне резания выделяется много тепла, которое плохо отводится от зоны обработки. Это приводит к катастрофически быстрому износу абразивного инструмента;

— повреждение поверхности: перегрев вызывает появление микротрещин и других дефектов в поверхностном слое детали;

— адгезионный износ: частицы титана легко налипают (привариваются) на рабочую поверхность инструмента, что снижает его эффективность и качество обработки.

Для успешного шлифования необходимо тщательно контролировать три основных аспекта: выбор абразивного инструмента (тип абразива должен соответствовать свойствам титана и требованиям к чистоте поверхности); режимы резания (к ним относятся скорость вращения круга, величина подачи и глубина съёма материала); система охлаждения (применение качественных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) является критически важным для интенсивного отвода тепла и предотвращения перегрева как детали, так и инструмента).

Достижение заданной шероховатости поверхности — важнейший этап финишной обработки, поскольку этот параметр напрямую влияет на долговечность изделия, прочность соединений и общие эксплуатационные характеристики материала. На формирование шероховатости при шлифовании влияют следующие основные факторы: (далее следует перечисление этих факторов).

Факторы, определяющие шероховатость:

1. Абразивный инструмент.
2. Зернистость круга (рис. 1). Чем мельче зерно абразивного инструмента, тем ниже шероховатость обработанной поверхности. Однако мелкое зерно увеличивает риск засаливания круга и снижает производительность процесса.

Читать далее…