Princip broušení a mechanismus opotřebení brusných kotoučů na řezných nástrojích

Princip broušení a mechanismus opotřebení brusných kotoučů na řezných nástrojích.

 

1. Principy procesu broušení

Broušení je také druh řezného procesu a brusný kotouč lze při použití pro obráběcí nástroje považovat za frézu s mnoha malými řeznými hranami. Během procesu broušení je povrch nástroje vystaven tření a poškrábání brusným kotoučem a vyčnívající a poměrně ostrá brusná zrna na povrchu kotouče se zařezávají do materiálu a vytvářejí třísky. Proces broušení je v podstatě kombinací řezání, škrábání a posuvu. Třísky jsou malé velikosti a mají různý tvar, včetně pásků-jako třísky, segmentované třísky, roztavený a spálený popel od třísek a také kovový prach.

 

Broušení je rozděleno do tří fází: počáteční fáze broušení, stabilní fáze a dokončovací fáze. V počáteční fázi broušení je skutečná hloubka broušení menší než radiální posuv. To je způsobeno elastickou deformací obráběcího stroje, obrobku a upínacího systému během počáteční fáze broušení. Když pružná deformace systému dosáhne určité úrovně, přechází do stabilní fáze. Během pokračujícího posuvu se skutečná hloubka broušení v podstatě rovná rychlosti radiálního posuvu. V dokončovací fázi, jak je postupně eliminována pružná deformace procesního systému, je skutečná hloubka broušení větší než nula.

Broušení brusným kotoučem má následující vlastnosti: vysoká přesnost a nízká drsnost povrchu. Brusný kotouč má samoostřící funkci-, která umožňuje brusným zrnům řezat obrobek s relativně ostrými hranami. Složka radiální síly je velká. Podobně jako u soustružení lze řeznou sílu při broušení rozložit na tři vzájemně kolmé složky, ale radiální složka síly je větší. Teplota mletí je vysoká. Protože broušení brusným kotoučem zahrnuje řezání s negativním úhlem čela a velmi vysokou řeznou rychlost, je teplota broušení vysoká. Brusný kotouč má samoostřící efekt, který umožňuje brusným zrnům nepřetržitě řezat obrobek s relativně ostrými hranami. Brusný pohyb se skládá z hlavního pohybu, radiální rychlosti posuvu a axiální rychlosti posuvu. Hlavním pohybem je rotační pohyb brusného kotouče; lineární rychlost vnějšího obvodu brusného kotouče je hlavní rychlostí pohybu; radiální posuv se vztahuje na vzdálenost, o kterou se obrobek pohybuje radiálně vzhledem k brusnému kotouči během každého dvojitého (jediného) zdvihu pracovního stolu; a rychlost axiálního posuvu se týká vzdálenosti, o kterou se obrobek pohybuje axiálně vzhledem k brusnému kotouči během každé otáčky nebo každého zdvihu pracovního stolu.

 

2. Vzorce a příčiny opotřebení brusného kotouče

Během procesu broušení řezných nástrojů bude brusný kotouč vystaven různým stupňům opotřebení v důsledku různých faktorů, včetně fyzikálních, chemických a mechanických vlivů, což vede ke snížení brousicí schopnosti a ovlivnění přesnosti spirálové drážky. Pokud není silně opotřebovaný brusný kotouč vyměněn a nadále používán, způsobí vibrace, hluk a další jevy. Rozsáhlý výzkum opotřebení brusných kotoučů ukázal, že hlavními formami opotřebení jsou abrazivní opotřebení, lomové opotřebení a zanášení/adheze.

 

2.1 Abrazivní opotřebení

Během procesu broušení dochází u každého brusného zrna k opotřebení, přičemž vykazuje různé stupně opotřebení, jak je znázorněno v rovině C-C na obrázku níže. Se zvyšujícím se počtem otupených brusných zrn vykazuje brusný kotouč otupovací vlastnosti, jako je výrazné zvýšení brusné síly, hoření povrchu obrobku a chvění během procesu obrábění, což vede k vážnému poklesu kvality zpracování obráběných dílů.

2.2 Zlomenina a opotřebení

Lom a opotřebení brusných kotoučů lze rozdělit na dva typy: lom brusného zrna a sypání brusného zrna. Lom brusného zrna označuje jev, kdy při překročení napětí působícího na brusné zrno jeho vlastní síly dojde k odlomení části brusného zrna ve formě malých úlomků. Odlupování brusného zrna se týká lomu pojiva mezi brusnými zrny, což způsobuje oddělení brusných zrn od brusného kotouče. To vytváří dutiny v místech, kde byla umístěna oddělená zrna. Oddělování zlomených brusných zrn od brusného kotouče vede k tangenciálnímu opotřebení obrobku, což znemožňuje zaručit rozměrovou přesnost součásti. Vytváření nových řezných hran z otupených brusných zrn, ovlivněné lámáním a prošíváním brusných zrn, však lze definovat jako „samoostřící“ efekt brusného kotouče.

 

2.3 Zanášení a přilnavost

Během procesu broušení vlivem zvýšené teploty a tlaku přilne odebíraný materiál k brusným zrnům, když procházejí brusnou zónou. Bez ohledu na to, zda se přilnutý materiál dostane do kontaktu s obrobkem, je hlavní příčinou lámání a odlupování brusného zrna. S přilnavým materiálem souvisí i brusná schopnost. Přilnutý materiál může také ucpat mezery mezi brusnými zrny. Silné zanášení může také vést k lámání brusného zrna a rovnoměrnému vylupování, což výrazně snižuje brusnou schopnost brusného kotouče.

 

Aby se prozkoumala povaha opotřebení brusného kotouče, řada vědců studovala příčiny opotřebení brusného kotouče.

 

V současné době jsou příčiny opotřebení brusného kotouče klasifikovány do následujících typů:

• Abrazivní opotřebení: Tření vzniká relativním pohybem mezi brusnými zrny a obrobkem, což vede k mechanickému opotřebení brusných zrn. Toto opotřebení se postupně tvoří v průběhu broušení. Pokud je při broušení struktura obrobku nerovnoměrná a obsahuje tvrdé body s vyšší tvrdostí, relativní kluzné tření mezi brusnými zrny a tvrdými hroty zhorší mechanické opotřebení brusných zrn. Plastické opotřebení: Když teplota broušení dosáhne určité úrovně, brusná zrna se deformují v důsledku plasticity. Tepelná tvrdost materiálu obrobku přímo ovlivňuje plastické opotřebení brusného kotouče. Když brusná zrna procházejí brusnou zónou, jejich teplota stoupá. Když dosáhne bodu tavení materiálu obrobku, pokud je tepelná tvrdost na smykové rovině větší než tepelná tvrdost v kontaktní oblasti brusného zrna, brusná zrna podstoupí odpovídající plastickou deformaci v kontaktní oblasti, což povede k abrazivnímu opotřebení.
• Oxidační opotřebení: Určité plyny ve vzduchu mohou stimulovat mletí. Když se proces broušení provádí ve vakuu, broušení nízkouhlíkové oceli pomocí brusného kotouče na bázi oxidu hlinitého není tak hladké jako na vzduchu. Analýza ukazuje, že rotace brusného kotouče pohání proudění vzduchu, čímž se snižuje teplota v brusné zóně. Při vysokých teplotách obrobek a třísky podléhají oxidaci, čímž se na povrchu vytvoří oxidový film, který zabraňuje adhezivnímu opotřebení povrchu obrobku.
• Chemické opotřebení:Při broušení vykazuje povrch brusného kotouče a povrch obrobku složité prostorové rozložení. Zvýšená rychlost broušení vede k vyšším teplotám broušení, což způsobuje chemické reakce mezi abrazivním materiálem, materiálem obrobku a brusnou kapalinou. Různé chemické prvky produkované těmito chemickými reakcemi mohou podstoupit další vícestupňové chemické reakce. Chemická reakce mezi abrazivním materiálem a materiálem obrobku je důležitým faktorem chemického opotřebení brusného kotouče.
• Difúzní opotřebení:Když brusný kotouč brousí obrobek, prvky na povrchu brusného kotouče a obrobku difundují při vysokých teplotách, zeslabují povrchovou vrstvu brusných zrn a způsobují opotřebení. Dva těsně přiléhající kovové materiály pod vysokou teplotou a tlakem podléhají po určité době broušení difúzi v kontaktní oblasti, což vede k opotřebení brusného kotouče.
• Opotřebení při tepelném lomu:Během broušení obrobku dosahují brusná zrna okamžitě vysoké teploty a následně působením brusné kapaliny rychle ochlazují. Při opakovaném přerušovaném ochlazování a zahřívání se zvyšuje tepelné napětí v brusných zrnech, což vede k praskání a lámání na povrchu brusných zrn. Tepelné namáhání souvisí především s tepelnou vodivostí, koeficientem tepelné roztažnosti a brusnou kapalinou. Tepelná vodivost je nepřímo úměrná tepelnému namáhání, zatímco koeficient tepelné roztažnosti je přímo úměrný tepelnému namáhání. Čím lepší je výkon brusné kapaliny, tím nižší je teplota povrchu obrobku a tím větší je tepelné namáhání.