НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Белявцев Микола Іванович

УДК 621.923

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОБРОБКИ БЕЗВОЛЬФРАМОВИХ ТВЕРДИХ СПЛАВІВ ГРУПИ СТІМ КОМБІНОВАНИМ АЛМАЗНИМ ШЛІФУВАННЯМ

Спеціальність 05.03.01 – процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Різання матеріалів та різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Узунян Матвій Данилович,

Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут",

професор кафедри різання матеріалів

та різальних інструментів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Костюк Геннадій Ігоревич,

Національний аерокосмічний університет "Харківський авіаційний інститут"

завідувач кафедри "Робототехніки"

кандидат технічних наук, доцент

Тарасюк Анатолій Петрович,

Українська інженерно-педагогічна академія,

проректор з навчальної роботи

Провідна установа: Донбаська державна машинобудівна академія,

кафедра "Металорізальні верстати та інструменти", Міністерство освіти і науки України, м. Краматорськ

Захист відбудеться 22.03.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий 19.02.2001 р.

За вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Карпусь В.Є.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасної техніки нерозривно зв'язаний зі стійкою тенденцією застосування нових конструкційних матеріалів, механічна обробка яких є переважаючою при виготовленні сучасних машин і механізмів.

Успішне вирішення задач, зв'язаних з механічною обробкою, неможливе без подальшого розвитку інструментальної промисловості, створення нових інструментальних матеріалів, процесів та технологій їхнього одержання й обробки.

До числа нових найбільш важкооброблюваних інструментальних матеріалів відносяться безвольфрамові тверді сплави (БВТС); одною з нових розробок у створенні БВТС є сплави групи СТІМ (синтетичний твердий інструментальний матеріал), створені по оригінальній прогресивній технології самопоширюючого високотемпературного синтезу (СВС).

Необхідність збільшення обсягу виробництва і застосування БВТС зв'язана з постійно зростаючим дефіцитом вольфраму.

Внаслідок специфічних фізико-механічних властивостей цих сплавів, насамперед їх низької теплопровідності та ударної в'язкості, даний клас інструментальних матеріалів має низьку оброблюваність і надзвичайно чуттєвий до теплових і механічних ударних чи циклічних навантажень. Традиційні методи алмазно-абразивної обробки не забезпечують необхідної продуктивності і якості виготовлення інструмента.

У зв'язку з цим проблема бездефектної і продуктивної обробки БВТС групи СТІМ є дуже актуальною.

Для обробки важкооброблюваних матеріалів застосовуються комбіновані процеси шліфування. Одним з таких процесів є процес алмазно-іскрового шліфування (АІШ), розроблений у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут". Сутність АІШ полягає в сполученні різання алмазними зернами з дією електричного струму в зоні контакту струмопровідної металевої зв'язки з оброблюваним матеріалом. Однак традиційне АІШ гетерофазних сплавів із прямою полярністю може привести до значних дефектів поверхневого шару, тому обробка їх проводилась зі зворотною полярністю (круг-анод), що створює щадящі умови впливу розрядів на матеріал. Виникаючі ерозійні розряди сприяють вилученню часток матеріалу, що шліфується, забезпечують самозаточування ріжучої поверхні круга, що сприяє прояві більш високої спроможності ріжучих алмазних кругів і тривалому її збереженню.

Оскільки при АІШ контакт зв'язки з оброблюваним матеріалом практично виключений, то з'являється можливість більш повної реалізації унікальних ріжучих властивостей алмазних зерен при втисненні в матеріал, що особливо важливо при шліфуванні БВТС.

У зв'язку з викладеним у роботі вирішується актуальна, маюча важливе народногосподарське значення, задача розробки способів і умов ефективного шліфування нового класу інструментальних матеріалів БВТС групи СТІМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках державної науково-технічної програми "Створення нових методів, устаткування та інструмента для прецизійної механічної обробки для переходу від традиційних до високих технологій у машинобудуванні" згідно наказу МО №68 від 31.03.92, а також відповідно до комплексної програми Держкомітету України по науці і техніці 4.3 "Механічна обробка і способи з'єднання металів", 4.3.1 "Технологія алмазної і комбінованої фінішної обробки", затвердженої наказом ДКНТ №52 від 01.06.93.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - вирішення проблеми обробки БВТС групи СТІМ, установлення фізичних закономірностей і особливостей процесу АІШ, підвищення якості поверхні і продуктивності, зниження собівартості.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Вивчені фізичні особливості процесу АІШ, визначено вплив умов обробки на сили різання, енергоємність процесу шліфування, розкриті особливості зносу алмазних кругів.

2. Виявлені вплив нагрівання на коефіцієнт шліфування й умовна напруга різання при мікрорізанні одиничними алмазними зернами.

3. Установлені закономірності й особливості формування поверхневого шару БВТС групи СТІМ: механізм розвитку мікротріщин, розподіл мікротвердості, залишкові макро- і мікронапруги.

4. Досліджена працездатність алмазних кругів на металевій зв'язці, оптимізовані методами математичного планування експерименту умови шліфування по відносній витраті алмазів і питомої собівартості шліфування, стійкості інструмента і загальній технологічній собівартості обробки конструкційної сталі ріжучими пластинами зі сплаву СТІМ.

Об'єктом дослідження є процес алмазно-іскрового шліфування нового класу інструментальних матеріалів - БВТС групи СТІМ, що забезпечує рішення проблеми їх оброблюваності.

Предметом дослідження є фізико-механічна взаємодія ріжучої поверхні круга з оброблюваним матеріалом, оптимізація умов алмазно-іскрового шліфування, аналіз залишкових напруг і їх взаємозв'язку зі зносостійкістю інструментів, визначення мінімуму технологічної собівартості з урахуванням стійкості шліфованих пластин, що дозволило науково обгрунтувати і розробити способи й умови ефективної обробки БВТС групи СТІМ.

Методи дослідження. Робота виконана на основі теоретичних і експериментальних досліджень процесів шліфування і мікрорізання з використанням положень теорії різання матеріалів, технології машинобудування, фізики твердого тіла, планування експериментів. Розрахунки здійснювалися з застосуванням ЕОМ.

Досліджувались фізичні і технологічні параметри процесу шліфування, із застосуванням спеціальних установок, сучасних приладів, апаратури і методик: спеціальні силовимірювальні пристрої для досліджень коефіцієнтів шліфування, умовних напруг, енергоємності при мікрорізанні і шліфуванні, мікроскопи порівняння й електронний скануючий для вивчення стану рельєфу і зносу кругів, установки рентгеноструктурного аналізу при дослідженні залишкових напруг і ін.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи складається з наступного:

1. Розкриті фізичні закономірності процесу алмазно-іскрового шліфування БВТС групи СТІМ. Встановлено, що при АІШ гетерофазних матеріалів необхідно забезпечити стійку розвиненість рельєфу ріжучої поверхні алмазних кругів на металевій зв'язці, щадячі умови впливу розрядів на оброблюваний матеріал, що виключають передруйнування поверхневого шару; це досягається веденням процесу зі зворотною полярністю (круг-анод, деталь-катод). Забезпечення стійкої різновисотності алмазних зерен дозволяє установити відмітні особливості впливу технологічних факторів на вихідні параметри процесу. Наприклад, такі фактори, як зернистість чи швидкість різання, що впливають у звичайних умовах шліфування на розвиненість рельєфу, його самозаточення, у розглянутому процесі втрачають значення, тому що це досягається відповідним введенням додаткової енергії в зону різання.

2. Виявлені особливості взаємодії алмазних кругів з оброблюваним матеріалом, що полягають в ідентичності встановленого характеру залежностей коефіцієнтів шліфування, умовних напруг різання та енергоємності процесів при мікрорізанні одиничними зернами і шліфуванні досліджуваного матеріалу; відзначена особливість обумовлена тим, що в застосовуваному процесі АІШ практично є відсутнім контакт металевої зв'язки круга з дуже схильним до утворення тріщин БВТС групи СТІМ.

3. Встановлені особливості взаємозв'язку між режимами шліфування, залишковим напруженим станом поверхневого шару й експлуатаційними властивостями інструментів із ріжучих пластин БВТС СТІМ-3Б; показано, що міжфазна мікродеформація вносить істотний вклад у результуючий сумарний напружений стан, що перевищує частку макродеформації. Уперше встановлено, що максимальна стійкість інструмента при тонкому точінні корелює не з макронапругами, а з найбільшим значенням міжфазних стискаючих мікронапруг у цементуючій фазі нікелю.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи складається з розробки способів і умов високоякісної і продуктивної обробки нового класу інструментальних матеріалів БВТС групи СТІМ, оброблюваність яких у звичайних умовах шліфування є дуже низькою. Теоретичні й експериментальні дослідження фізико-механічних умов взаємодії ріжучої поверхні алмазних кругів з оброблюваним матеріалом дозволили установити, що застосування АІШ зі зворотною полярністю дозволяє широко використовувати алмазні круги на металевих зв'язках, які, як відомо, в звичайних умовах шліфування втрачають працездатність протягом 1-2 хвилин роботи.

Для практичної реалізації розробленої технології шліфування в інституті "Укроргверстатінпром" розроблена і виготовлена дослідна серія спеціальних генераторів імпульсів НО.6506, що відрізняються від ШГІ-40-440 менш складними вузлами керування, блоком захисту від короткого замикання і малими габаритами (70смґ50смґ40см).

Результати розробок і досліджень упроваджені на заводах ХТЗ, ФЕД, ХЕЛЗ, Дослідний електромонтажний.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в тому, що після ретельного проведення експериментальних досліджень уперше встановлена можливість ефективної обробки нового класу інструментальних матеріалів БВТС групи СТІМ; для обгрунтування цього вивчені фізичні особливості процесу АІШ зазначених матеріалів, визначені сили різання, енергоємність процесу, виявлені особливості зносу алмазних кругів і досліджена їх працездатність, визначені умови стабілізації високої ріжучої здатності алмазних кругів на металевій зв'язці; сформульоване наукове положення про ідентичність характеру залежностей і рівнів коефіцієнтів шліфування при мікрорізанні і шліфуванні сплаву групи СТІМ, що пояснюється практично відсутністю контакту зв'язки з оброблюваним матеріалом в умовах АІШ; сформульоване наукове положення про взаємозв'язок зносостійкості шліфованих пластин групи СТІМ не тільки з макронапругами, але і з міжфазними мікронапругами в одній з фаз гетерофазного БВТС; виконаний комплекс організаційно-технічних заходів щодо виготовлення спеціального генератора імпульсів і упровадження високоефективної технології АІШ інструментів у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях і семінарах: "Високі технології в машинобудуванні: діагностика процесів і забезпечення якості", Харків-ХГПУ-Алушта, 30 вересня – 4 жовтня 1996 р.; "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я", Харків,

1998 р.; "Високі технології в машинобудуванні", Харків, 20-25 вересня 1998 р.; "Проблеми теорії і практики технології машинобудування, механічної і фізико-технічної обробки", Харків, 22-26 травня 2000 р.; "Високі технології: розвиток і кадрове забезпечення", Харків-ХГПУ-Алушта, 14-20 вересня 2000 р.

У повному обсязі дисертаційна робота докладена та ухвалена на засіданні кафедри "Різання матеріалів та різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 5 науково-технічних роботах і в 4 збірниках тез і доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах.

Робота виконана на кафедрі "Різання матеріалів та різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків і 3 додатків. Повний обсяг дисертації складає 183 сторінки, 43 ілюстрації на 41 сторінці, 13 таблиць по тексту, 9 таблиць на 8 сторінках, 3 додатка на 16 сторінках, 122 використаних літературних джерела на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми і практичне значення досліджень, сформульовані наукова проблема, основні наукові положення, що виносяться на захист; приведений стислий аналіз питань, які вирішуються у дисертації і складають наукову новизну, дана загальна характеристика дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу сучасних тенденцій розвитку АІШ і його переваг перед іншими комбінованими способами обробки; розглядаються властивості БВТС, а також раціональна область їхнього застосування. Приводиться характеристика нового класу інструментальних матеріалів - БВТС групи СТІМ і аналізуються причини їх поганої оброблюваності - низьке значення теплопровідності, високий коефіцієнт термічного розширення, чутливість до ударних навантажень. Однак підвищене значення коефіцієнта стійкості стосовно Т15К6 (за даними різних організацій від 2 до 5) дозволяє оцінити ріжучі пластини СТІМ-3Б як дуже перспективні на чистових операціях точіння. Ефективна обробка цього матеріалу, дуже схильного до утворення тріщин, можлива тільки в умовах АІШ; при цьому здійснювалось рішення наступних основних задач: вивчення фізичних особливостей процесу АІШ, визначення впливу режимів на сили різання, коефіцієнти шліфування, енергоємність процесу; визначення впливу нагрівання на величину коефіцієнта шліфування й умовну напругу різання при мікрорізанні одиничними зернами; виявлення джерел зародження і розвитку мікротріщин у сплаві; установлення закономірностей і особливостей формування залишкових напруг у поверхневому шарі; дослідження працездатності алмазних кругів на металевій зв'язці та оптимізація методами математичного планування експериментів умов шліфування по параметрах відносної витрати алмазів, питомої собівартості шліфування, стійкості інструмента і загальної технологічної собівартості обробки з урахуванням стійкості інструмента при точінні конструкційної сталі шліфованими ріжучими пластинами зі сплаву СТІМ-3Б.

У розділі також обгрунтовується вибір критеріїв процесу шліфування і мікрорізання, описується устаткування, прилади, інструмент і загальні методики проведення досліджень.

Другий розділ присвячений дослідженню особливостей взаємодії алмазних кругів з оброблюваним матеріалом. Викладається методика виміру зусиль різання й оцінок функціональних характеристик процесу при мікрорізанні і шліфуванні БВТС СТІМ-3Б; приведені результати досліджень особливостей мікрорізання, коефіцієнтів шліфування й енергоємності процесу при обробці; аналізуються особливості зносу алмазних кругів.

Коефіцієнт шліфування при мікрорізанні визначався як відношення тангенціальної сили до радіальної Кш = Pz / Py, умовна напруга виражалася відношенням тангенціальної сили до площі поперечного переріза подряпини

s = Pz / f. Дослідження проводилися в інтервалі значень нормального навантаження на зерно Py = 0,5...2Н при кімнатній температурі 300°К та нагріванні 600°К. У результаті досліджень установлено, що зі збільшенням нормального навантаження коефіцієнт шліфування Кш знижується; це пояснюється відставанням росту сили Pz від сили Py, збільшенням відносини az/r.

Збільшення нормального навантаження на зерно приводить до зниження умовних напруг різання (рис. 1); це пояснюється ростом глибини впровадження зерна, а значить і перетину зрізу f. Характерно, що мікрорізання нагрітого до температури 600°К сплаву приводить до зменшення величини Кш у середньому на 20% і збільшенню умовної напруги різання в 1,5 рази.

Зі збільшенням температури поверхні твердість і міцність матеріалу зменшуються, що приводить до зменшення тангенціальної складової сили різання. З профілограм, отриманих на нагрітих зразках подряпин, випливає, що площа витиснутих по краях ділянок (навалів) зростає. Це приводить до більш інтенсивного збільшення s, у порівнянні з Кш, тому що велика частина роботи, затрачуваної силою Pz, витрачається на пластичну деформацію поверхні без зняття припуску. Варто зробити висновок про поліпшення оброблюваності сплаву СТІМ - 3Б зі зменшенням величини його нагрівання і про необхідність забезпечення розвиненості рельєфу кругів.

Слід зазначити, що коефіцієнти працездатності при шліфуванні мають значно менші значення, ніж при мікрорізанні. Розходження виникає внаслідок того, що мікрорізання відбувається на щадячих режимах зернами, що не доводяться до зламу; крім того при роботі кругами зношені елементи зерен, проорюючи робочу поверхню круга, ушкоджують сусідні зерна, а також зношені зерна можуть вириватися і випадати.

Були проведені дослідження коефіцієнтів шліфування і питомої роботи при шліфуванні; при цьому питома робота виражалася відношенням добутку сили Pz та швидкості різання Vкр до об'єму знятого в одиницю часу матеріалу Qм

(Aуд = Pz Ч Vкр / Qм).

Результати експериментів представлені в таблицях 1 і 2.

Зі збільшенням поперечної подачі Кш зменшується, тому що збільшується Py, глибина впровадження зерен і товщина зрізу; при цьому виявляється випереджальний ріст сили Py у порівнянні із силою Pz. Характерно, що і при мікрорізанні Кш зі збільшенням Py також знижується.

Зростання швидкості різання (табл. 2) сприяє збільшенню питомого навантаження на алмазне зерно, що веде до більш інтенсивного зносу ріжучих крайок зерна, збільшенню радіуса округлення крайок і зменшенню співвідношення

Рис. 1 Вплив нормального навантаження і нагрівання на умовну напругу різання при різанні одиничним алмазним зерном сплаву СТІМ-3Б

az/r. Це приводить до меншого ступеня зниження складової Pz і тому Кш при цьому незначно зростає.

При АІШ СТІМ - 3Б зі збільшенням поперечної подачі інтенсивність росту хвилинного знімання перевищує зростання складової сили різання Рz, у результаті чого Ауд зменшується (табл. 1).

При збільшенні поперечної подачі з 0,01 мм/дв.хід до 0,08 мм/дв.хід Pz зростає приблизно в 4 рази (з 3,8Н до 16,9Н), у той час як продуктивність шліфування вирісла у 8 разів.

Як уже відзначалося, збільшення V приводить до незначного зменшення Рz, при незмінній величині хвилинного знімання. Результатом є збільшення Ауд (табл. 2).

Таким чином, при АІШ БВТС СТІМ - 3Б, з позицій енергетичних витрат доцільно працювати на підвищених поперечних подачах з малою величиною окружної швидкості шліфувального кругу.

Таблиця 1

Сили різання, питома робота і коефіцієнт шліфування при АІШ СТІМ - 3Б при

різній поперечній подачі

Поперечна подача Sпоп., мм/дв.хід Сили різання Кш Ауд дж/мм3

Pz, Н Ру, Н

0,01 3,8 9 0,42 29,0

0,045 10,3 28 0,36 19,0

0,08 16,9 67 0,28 18,0

Умови шліфування: V=20 м/с; Sпрод.=3 м/хв; f =44 кГц; q=2.

Круг 12А2-45° 150х10х3х32-АС6-50/40; М1-01; 4(100%)

Таблиця 2

Сили різання, питома робота і коефіцієнт шліфування при АІШ СТІМ - 3Б

з різною окружною швидкістю круга

Окружна швидкість, V, м/с Сили різання Кш Ауд дж/мм3 Q мм3/хв

Pz, Н Ру, Н

10 11 31 0,35 10,0 636

20 10,3 28 0,36 19,0 636

30 9,3 24 0,39 26,0 636

Умови шліфування: Sпоп.=0,045; Sпрод.=1,5 м/хв; f =44 кГц; q=2.

Круг 12А2-45° 150х10х3х32-АС6-50/40; М1-01; 4(100%)

Викликає інтерес виявлена ідентичність характеру залежностей коефіцієнтів шліфування, умовних напруг при мікрорізанні і коефіцієнтів шліфування й енергоємності при шліфуванні. Це свідчить про те, що в застосовуваному процесі АІШ практично відсутній контакт металевої зв'язки круга з оброблюваним матеріалом.

Показано, що засалювання ріжучої поверхні, зв'язаного з заповненням міжзеренних простірів продуктами шліфування, не відбувається. Зерна зношуються в основному викришуванням, їх поверхня розвинена.

Третій розділ присвячений оптимізації параметрів АІШ сплаву СТІМ-3Б, аналізу працездатності алмазних кругів. Викладається методика проведення експериментів, приводяться результати вибору електричних параметрів процесу і його дослідження по "пружній" і "жорсткій" схемам шліфування.

Дослідження по визначенню впливу частоти проходження імпульсів на показники процесу проводилися в діапазоні частот від 22 до 88 кГц. При роботі без струму після перших 2 - 3 хвилин шліфування продуктивність істотно знижується. При введенні додаткової енергії знімання матеріалу зберігається на високому рівні (Q = 620 - 700 мм3/хв при V = 25 м/с, Р=1,2 МПа). Слід зазначити, що зміна частоти незначно, у межах 10%, впливає на зміну параметрів процесу, тому оптимальної можна вважати 44 - 66 кГц.

Дослідження зі шліфування проводилися з використанням методів планування експериментів другого порядку, застосовувався Д-оптимальный план B4. Як фактори для "пружної" схеми були прийняті тиск (Р, МПа), швидкість (Vк, м/с), зернистість (Z) і концентрація (К); для "жорсткої" - замість тиску була прийнята поперечна подача (Sпоп, мм/дв.хід).

Як параметри оптимізації для "жорсткої" схеми були прийняті питома собівартість шліфування (Суд, коп/см3) і відносна витрата алмазів (q, мг/г), для "пружної" схеми шліфування додатковим параметром оптимізації була продуктивність (Q, мм3/хв).

Після реалізації матриці планування, програми розрахунку на ЕОМ і перетворення рівнянь регресії будувалися двовимірні перетини поверхні відгуку і відповідні однофакторні залежності.

При шліфуванні по "пружній" схемі оптимальними умовами обробки сплаву СТІМ-3Б можна вважати Р = 1,6МПа; V = 34 м/с; Z = 50/40…160/125;

К = 2(50%). При шліфуванні за твердою схемою - Sпоп=0,055 мм/дв.хід; Vкр = 20 м/с; Z = 50/40; К = 4(100%).

Відмінні риси впливу технологічних факторів зернистості і швидкості на вихідні параметри процесу можна пояснити наступним. У звичайних умовах шліфування від зернистості і швидкості різання залежить тривалість збереження кругом ріжучої здатності в зв'язку з неминучим засалюванням. Тому крупнозернисті круги, що мають великі міжзеренні простіри, і підвищені швидкості шліфування розглядалися як фактори, що зберігають якийсь час розвиненість і самозаточення. Відзначені фактори в процесі АІШ сплаву СТІМ-3Б зі зворотною полярністю втрачають своє значення, тому що це досягається введенням додаткової енергії в зону різання.

Виявлення умов шліфування, при яких оптимізуємий параметр (Суд) незначимо змінюється в широкому інтервалі розглянутих факторів, дозволяє при масовому випуску інструмента спростити привод обертання шпинделя (Vкр = const), конструкцію генератора імпульсів (f = const), зменшити необхідну номенклатуру алмазно-абразивного інструмента (Z = const) і в цілому значно підвищити технологічність процесу.

Четвертий розділ присвячений дослідженню якості поверхневого шару сплаву після АІШ. Розглянуті особливості утворення тріщин, розподіл мікротвердості поверхневого шару; викладається методика досліджень залишкових напруг, дається аналіз залишкового напруженого стану в шліфованому сплаві і встановлюються особливості його взаємозв'язку зі зносостійкістю ріжучих пластин зі сплаву СТІМ-3Б.

Відомо, що одержувані рентгенографічними методами результати відбивають сумарний ефект, викликаний макронапругами і міжфазними мікронапругами. Ці положення обгрунтовані в роботах Васильєва Д.М., Смирнова Б.И., Ровінського Б.М., Фукса М.Я., Свердлової Б.М.

При однакових макронапругах можуть виникати різні мікронапруги. Тому при аналізі взаємозв'язку зносостійкості інструментів зі сплаву СТІМ після АІШ із залишковим напруженим станом становить інтерес виявлення кожної складової в різних фазах.

Залишкові орієнтовані напруги в поверхневому шарі сплаву СТІМ-3Б визначалися рентгенографічним способом багаторазових похилених зйомок (sin2ш – метод) на дифрактометрі "Дрон – 3".

Вимір залишкових напруг в окремих фазах (Ti, Ni) дозволяє розділити сумарні напруги на макроскопічні і міжфазні мікроскопічні.

Одним з методів поділу загальної орієнтованої деформації решітки є модельний метод; при цьому для розрахунку використовують дві моделі: Фойгта – виходячи з рівності полів пружних деформацій, або Ройса – при допущенні рівності полів пружних напружень.

При моделюванні по Ройсу використовувалася система рівнянь:

. . . . . . . . . . . .

де s1 – макронапруги в поверхневому шарі; – міжфазні мікронапруги в кожній з фаз сплаву; – сумарні (загальні) орієнтовані напруги, обмірювані в кожній з фаз; - об'ємна концентрація фаз.

Для порівняння з модельним методом поділ сумарних орієнтованих напруг вироблявся за допомогою електролітичного витравлювання цементуючої фази (Ni) з поверхні сплаву СТІМ – 3Б в розчині соляної кислоти.

Для конкретного двухфазного матеріалу, яким є сплав СТІМ – 3Б, загальні орієнтовані напруги (деформація) у карбідній фазі знайдені до витравлювання цементуючої фази , де s1 – макронапруги, s2ў - міжфазні напруги в карбідній фазі. Після витравлювання цементуючої фази обмірювані напруги sор = s1, тому що . Отже

Якщо попередньо вимірити сумарні орієнтовані напруги (деформацію) у цементуючій фазі , то по знайденій макроскладовій s1 можна визначити міжфазні мікронапруги в цій фазі

Був досліджений вплив різних умов шліфування на залишковий напружений стан.

Як приклад на рис. 2 представлені залежності залишкових напруг у різних фазах сплаву від Sпоп.

Для визначення області оптимальних режимів шліфування з урахуванням експлуатаційних властивостей шліфованих пластин вивчався взаємозв'язок між умовами обробки, напруженим станом поверхневого шару і зносостійкістю різців у реальних умовах експлуатації; проводилися стійкістні іспити інструментів, оброблених у відповідних умовах АІШ.

Рис. 2 Вплив поперечної подачі на залишкові напруги в фазах Ti та Ni.

1 – сумарні орієнтовані напруги

2 – макронапруги

3 - міжфазні мікронапруги

Умови шліфування: V = 25 м/c; Sпрод = 1,5 м/хв; АС6-125/100; М1-01; 4(100%)

Експерименти проводилися на токарно-гвинторізному верстаті 16К20 при точінні без охолодження сирої сталі 45 (НВ 190) при наступних режимах:

V = 3,25 м/с; S = 0,075 мм/об; t = 0,2 мм. Різці мали наступні геометричні параметри: г = 0°; a = 12°; ц = 45°; ц1 = 15°; l = 0. За критерій затуплення був прийнятий знос по заданій поверхні h3 = 0,45 мм. У таблиці 3 представлені результати іспитів різців зі сплаву СТІМ – 3Б, шліфованих при різних поперечних подачах.

Таблиця 3

Довжина шляху різання для різних поперечних подач при шліфуванні; V = 25 м/с

Sпоп, мм/дв.хід 0,01 0,04 0,07

L, м 3730 14240 2650

Спільний аналіз залежностей зміни довжини шляху різання і сумарних напруг від поперечної подачі показує, що найбільшої стійкості відповідають найменші (по абсолютній величині) сумарні стискаючі напруги.

Результати досліджень показують, що при всіх режимах обробки формування макронапруг (s1) відбувається по силовому механізму, про що свідчить їхній стискаючий характер.

Що стосується механізму формування міжфазних мікронапруг, то він різний у карбідній і цементуючій фазах і залежить від режиму обробки. Так, у фазі TiС при зміні поперечної подачі від 10 до 70 мкм/дв.хід виявляється екстремальна залежність, мікронапруги із стискаючих (-10 МПа) переходять у розтягуючі (+10 МПа), а потім до нульового рівня; можна відзначити, що тепловий і силовий механізми вносять приблизно однаковий внесок у формування міжфазних мікронапруг у цій фазі. Аналіз міжфазних мікронапруг у карбідній фазі показує, що їх частка в загальних сумарних напругах дуже незначна.

У цементуючій фазі цей внесок уже істотний. При зміні поперечної подачі від 0,01 до 0,07 мм/дв.хід має місце екстремальна залежність міжфазних мікронапруг від величини подачі. При цьому величина їх змінюється, переходячи з напруг, що розтягують (+ 150 МПа) у стискаючі (-120 МПа) і знову в що розтягують

(+ 20 МПа).

Таким чином, на підставі проведених досліджень можна зробити наступні припущення: у карбідній фазі основну частку у формуванні напруженого поверхневого шару твердого сплаву СТІМ – 3Б вносять макронапруги, механізм їх формування носить силовий характер, внесок міжфазних мікронапруг у даній фазі невеликий.

У цементуючій фазі у формуванні загального напруженого стану поверхневого шару велику частку вносить міжфазна мікроскладова. При цьому переважаюче значення має силовий механізм формування напруг. Частка теплового фактора тут невелика. Зіставляючи результати стійкістних іспитів із залежностями залишкових сумарних напруг, макро- і мікронапруг у різних фазах від поперечної подачі, можна виявити взаємозв'язок між стійкістю інструментів зі сплаву СТІМ – 3Б і відповідними залишковими напругами.

Найбільшої стійкості пластин відповідають найбільші по абсолютній величині стискаючі міжфазні мікронапруги в пластичній фазі (Ni); можна припустити, що зароджені в несприятливо напружених зносостійких карбідних зернах мікротріщини захлопуються в стислій в'язкій сполучній фазі.

У п'ятому розділі приведені аналіз і результати оптимізації технологічної собівартості (СТ), що враховує не тільки питому собівартість шліфування інструментів (Суд), але і собівартість механічної обробки.

Аналіз показав, що найменша питома собівартість шліфування, тобто шліфування з найбільшою продуктивністю і найменшим зносом кругів ще не означає кращий варіант, тому що не враховується реальна зносостійкість прошліфованих інструментів, яку можна вважати інтегральним показником якості.

Таким чином СТ залежить від собівартості шліфування (прямо пропорційно) і стійкості інструмента (L) (зворотно пропорційно).

Дослідження проводилися з застосуванням рототабельного плану для двох факторів на 3-х рівнях; як фактори розглядалися: Sпоп = 0,01-0,07 мм/дв.хід,

V = 17,5 - 32,5 м/с.

Результати досліджень приведені на рис. 3 і 4.

Рис. 3 Поверхня відгуку стійкості ріжучих пластин СТІМ-3Б, L=f(Sпоп, V)

Рис. 4 Поверхня відгуку технологічної собівартості, СТ=f(Sпоп, V)

Порівняння функцій на рис. 3 і 4 показує ідентичність форми кривих і зворотний характер залежності від режимів заточення. Отже, довжина шляху різання (L) заточеної пластинки (її стійкість) є визначальним чинником технологічної собівартості.

Як показує аналіз графіків, мінімуму технологічної собівартості (Sпоп = 0,04 мм/дв.хід; Vкр = 25 м/с) відповідає максимальна стійкість пластин.

Отримані результати свідчать про те, що додаткові витрати при виготовленні інструмента (зниження режимів заточення і збільшення питомої собівартості даної операції) перекриваються економією від зниження витрат ріжучого інструмента унаслідок підвищення його якості (стійкості).

ВИСНОВКИ

Проблема ефективної обробки БВТС групи СТІМ, що володіють низькою теплопровідністю, дуже схильних до утворення тріщин і характеризуємих поганою оброблюваністю, вирішується забезпеченням стійкої розвиненості рельєфу ріжучої поверхні алмазних кругів, створенням щадячих умов впливу розрядів на матеріал; це досягається застосуванням процесу АІШ зі зворотною полярністю. Забезпечення стійкої різновисотності алмазних зерен дозволило виявити відмінні риси впливу технологічних факторів на вихідні параметри процесу; наприклад, зернистість круга і швидкість шліфування, що багато в чому визначають і впливають на самозаточення при звичайному шліфуванні, у застосовуваному процесі втрачають це значення, тому що розвиненість рельєфу забезпечується введенням додаткової енергії в зону різання.

Розкриті особливості взаємодії алмазних кругів з оброблюваним матеріалом, що полягають у тім, що при шліфуванні практично відсутній контакт зв'язки круга з БВТС групи СТІМ; про це свідчить ідентичність характеру залежностей коефіцієнтів шліфування, умовних напруг різання й енергоємності процесу при мікрорізанні й алмазно-іскровому шліфуванні.

Виявлено особливості зносу алмазних кругів і зерен. Показано, що засалювання ріжучої поверхні у процесі тривалої роботи круга не відбувається, площадок зносу на алмазних зернах не утворюється, вони зношуються в основному за рахунок мікровикришування.

Мікрорізання нагрітого до температури 600°К сплаву дозволило виявити наявність пластичної деформації структурних фаз на поверхні мікрорізання від одиничного зерна та у зоні, безпосередньо пов'язаною з нею. Отже оброблюваність сплаву поліпшується зі зменшенням нагрівання. Цьому в найкращому ступені сприяє АІШ зі зворотною полярністю.

Працездатність алмазних кругів, оптимізація параметрів АІШ сплаву СТІМ-3Б вироблялася як за пружною схемою шліфування, що дозволяє виявити потенційні можливості алмазних кругів, так і за твердою. Визначена оптимальна частота проходження імпульсів складає 44 – 66 кГц. Встановлені оптимальні умови обробки сплаву по питомій собівартості шліфування: для "пружної" схеми – Р = 1,6 МПа; V = 34 м/с; Z = 50/40…160/125; К = 2 (50%); для жорсткої схеми – Sпоп = 0,055 мм/дв. хід; V = 20 м/с; Z = 50/40; К = 4 (100%).

Методами рентгенівської тензометрії обміряні сумарні залишкові деформації в карбідній і зв'язуючій фазах сплаву при зміні механічних параметрів АІШ у діапазонах поперечної подачі 0,01...0,07 мм/дв.хід і окружної швидкості шліфувального круга 18...32 м/с. Модельним методом і методом витравлювання зв'язуючої зроблено поділ загальної сумарної орієнтованої деформації на макро- і міжфазну мікроскладові; оцінений внесок кожної складової при різних режимах обробки: у цементуючій фазі у формуванні загального напруженого стану велику частку вносить міжфазна мікроскладова, а в карбідній - макроскладова напруг.

Установлено взаємозв'язок залишкових напруг зі зносостійкістю шліфованих пластин зі сплаву СТІМ. Показано, що найбільшій стійкості пластин при тонкому точінні відповідають найбільші стискаючі міжфазні мікронапруги в пластичній фазі (Ni); мікротріщини, що зароджуються в карбідних зернах, затримуються в стиснутій грузлій зв'язуючий фазі. Установлено, що режими, які обумовлюють оптимум питомої собівартості шліфування і технологічної собівартості, що враховує витрати на відшкодування зносу використовуваного ріжучого інструмента, не співпадають. Мінімум технологічної собівартості досягається на режимах, що забезпечують максимальну стійкість ріжучих пластин.

Розроблені практичні рекомендації, представлені в таблиці 4, дозволяють призначати режими АІШ пластин сплаву СТІМ, що забезпечують максимальну продуктивність, мінімальну витрату алмазного круга, мінімальну питому і технологічну собівартість.

Економічно обгрунтованим є режим з мінімальною технологічною собівартістю, при якому стійкість шліфованих ріжучих пластин максимальна (Sпоп = 0,04 мм/дв.хід; V = 25 м/с).

Виготовлено спеціально розроблений малогабаритний генератор імпульсів

Таблиця 4

Практичні рекомендації з вибору прогресивних режимів алмазно-іскрового шліфування задніх поверхонь багатогранних ріжучих пластин зі сплаву СТІМ

Круг 12А2-45° 150ґ10ґ32 АС6-М1-01 f = 44 кГц, q = 2, Jср = 12 А.

Характеристика круга Режим шліфування Оптимізовані вихідні параметри

Зернис- тість Z, мкм Концен- трація К, % Попе- речна подача Sпоп, мм/дв.хід Швид- кість круга, V м/с Q, мм3/хв. q, мг/г Суд, коп/см3 СТ, коп/год L, м

50/40 100 0,07 25 1092 12,45 14,45 2,95 4400

50/40 50 0,01 20 156 1,81 16,92 3,21 3900

125/100 100 0,055 20 858 6,76 8,53 3,24 3800

125/100 100 0,04 25 624 11,12 13,8 2,5 13500

Оптимізовані параметри: продуктивність шліфування, Q, мм3/хв;

відносна витрата алмазів q, мг/г; питома собівартість шліфування Суд, коп/см3; технологічна собівартість, СТ, коп/год; стійкість інструмента, L, м.

НО.6506.

Процес АІШ випробуваний і впроваджений при промисловому виготовленні ріжучих пластин на заводах: ХТЗ, ФЕД, ХЕЛЗ, Дослідний електромонтажний із сумарним річним ефектом 85 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Белявцев Н.И., Узунян М.Д. Оптимизация процесса шлифования инструментов из БВТС группы СТИМ и анализ технологической себестоимости // Резание и инструмент в технологических системах. - Международный научно-технический сборник.- Харьков: ХГПУ, 1998, выпуск 52.-С.12-16.

2. Белявцев Н.И., Красильников Е.В., Узунян М.Д. Механизм образования и развития микротрещин в безвольфрамовых твердых сплавах СТИМ-3Б // Вестник

ХГПУ.- Харьков: ХГПУ, 1999, выпуск 32.-С.118-123.

3. Белявцев Н.И. Исследование коэффициентов шлифования и энергоемкости процесса при обработке сплава СТИМ-3Б // Вестник ХГПУ: Новые решения в современных технологиях.- Харьков: ХГПУ, 1999, выпуск 47.-С.22-23.

4. Белявцев Н.И., Узунян М.Д. Исследование особенностей микрорезания безвольфрамовых твердых сплавов СТИМ-3Б // Резание и инструмент в технологических системах.- Международный научно-технический сборник.- Харьков: ХГПУ, 1999, выпуск 53.-С3-6.

5. Узунян М.Д., Белявцев Н.И., Красильников Е.В. Исследование взаимосвязи остаточных напряжений и износостойкости инструментов из сплава СТИМ-3Б // Резание и инструмент в технологических системах.- Международный научно-технический сборник.- Харьков: ХГПУ, 1999, выпуск 55.-С.203-206.

6. Белявцев Н.И., Узунян М.Д. Алмазно-искровое шлифование безвольфрамовых твердых сплавов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) // Высокие технологии в машиностроении: диагностика процессов и обеспечение качества. Сборник материалов 6-го международного научно-технического семинара.- Харьков: ХГПУ, 1996-С.16-17.

7. Белявцев Н.И., Узунян М.Д. Исследование взаимодействия безвольфрамового твердого сплава группы СТИМ и кортинита с рабочей поверхностью алмазного круга // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Труды международной научно-технической конференции.- Харьков: ХГПУ, 1997.-С.8-11.

8. Белявцев Н.И., Красильников Е.В., Узунян М.Д. Особенности трещинообразования и микротвердость БВТС состава TiC, Ni после шлифования // Высокие технологии в машиностроении. Сборник научных трудов 8-го международного научно-технического семинара.- Харьков: ХГПУ, 1998.-С.41-46.

9. Белявцев Н.И., Узунян М.Д. Безвольфрамовые твердые сплавы группы СТИМ и перспективы их обработки // Проблемы теории и практики технологии машиностроения, механической и физико-технической обработки. Труды международной научно-технической конференции.- Харьков: ХНПК "ФЭД"-2000.-С.321-323.

АНОТАЦІЇ

Белявцев Микола Іванович. "Підвищення ефективності обробки безвольфрамових твердих сплавів групи СТІМ комбінованим алмазним шліфуванням". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2000.

Дисертація присвячена рішенню актуальної задачі - розробці способів і умов ефективного шліфування нового класу інструментальних матеріалів, безвольфрамових твердих сплавів групи СТІМ. Ці матеріали характеризуються низькою теплопровідністю, поганою оброблюваністю і надзвичайно чуттєві до теплових і ударних навантажень; традиційні методи алмазної обробки не забезпечують продуктивного і якісного виготовлення інструмента. Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені наступні задачі: вивчені фізичні особливості процесу алмазно-іскрового шліфування, визначений вплив режимів на сили різання, енергоємність процесу, коефіцієнти шліфування; установлений вплив нагрівання на величину коефіцієнта шліфування й умовну напругу при мікрорізанні одиничними алмазними зернами; установлені закономірності й особливості формування залишкових напруг у поверхневому шарі і їх взаємозв'язок зі зносостійкістю шліфованих пластин; оптимізовані методами математичного планування експериментів умови шліфування по параметрах відносної витрати алмазів і питомої собівартості шліфування, стійкості інструмента і технологічної собівартості обробки конструкційної сталі ріжучими пластинами сплаву СТІМ.

Виготовлений спеціально розроблений малогабаритний генератор імпульсів НО.6506.

Процес алмазно-іскрового шліфування і розроблені для його ефективної реалізації умови випробувані і впроваджені при виготовленні інструментів.

Ключові слова: алмазно-іскрове шліфування, мікрорізання, знос круга, енергоємність, умовна напруга різання, коефіцієнт шліфування, залишкові напруги, відносна витрата алмазів, технологічна собівартість.

Белявцев Николай Иванович. "Повышение эффективности обработки безвольфрамовых твердых сплавов группы СТИМ комбинированным алмазным шлифованием". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2000.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи - разработке способов и условий эффективного шлифования нового класса инструментальных материалов, безвольфрамовых твердых сплавов группы СТИМ. Эти материалы характеризуются низкой теплопроводностью, плохой обрабатываемостью и чрезвычайно чувствительны к тепловым и ударным нагрузкам; традиционные методы алмазной обработки не обеспечивают производительного и качественного изготовления инструмента. Для решения поставленной задачи необходимо обеспечить устойчивую развитость рельефа режущей поверхности алмазных кругов, исключить предразрушение приповерхностного слоя, создать щадящие условия воздействия разрядов на гетерофазный сплав группы СТИМ при введении дополнительной энергии в зону резания. Это достигается применением процесса алмазно-искрового шлифования с обратной полярностью, при котором большая часть энергии разрядов направлена на рабочую поверхность круга, что способствует созданию устойчивой разновысотности алмазных зерен и стабильных условий взаимодействия развитого рельефа с обрабатываемым материалом.

В диссертации исследованы особенности взаимодействия алмазных кругов со сплавом СТИМ-3Б; они состоят в том, что при микрорезании единичными зернами, как и при алмазно-искровом шлифовании выявлена идентичность характера зависимостей коэффициентов шлифования, условных напряжений резания и энергоемкости процесса. Это свидетельствует о том, что в применяемом процессе шлифования практически отсутствует контакт связки с материалом.

Резание-царапание нагретого до 600°К сплава показало наличие вытесненных по краям риски-царапины навалов; это способствует росту условных напряжений резания, так как увеличенное значение тангенциальной силы расходуется на пластическую деформацию без удаления всего материала по сечению царапины.

Показано, что процесс АИШ привносит некоторые особенности износа алмазных кругов. Засаливание режущей поверхности не происходит. Алмазные зерна изнашиваются в основном микровыкрашиванием; отдельные кромки одного и того же зерна могут быть подвержены различным видам износа в зависимости от условий контакта с отдельными компонентами сплава.

Установлены оптимальные условия обработки исследуемого сплава по упругой и жесткой схемам шлифования; исследования проводились методами планирования экспериментов