НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Шепелєв Анатолій Олександрович

УДК 621.923.6

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСІВ ШЛІФУВАННЯ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ КРУГАМИ ІЗ СИНТЕТИЧНИХ АЛМАЗІВ І КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРА

Спеціальність 05.03.01 – процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків—2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в лабораторії “Технологія шліфування інструментальних і композиційних матеріалів” Інституту надтвердих матеріалів ім. В.Н.Бакуля Національної академії наук України.

Науковий консультант:

академік НАН України, доктор технічних наук, професор Новіков Микола Васильович,

Інститут надтвердих матеріалів

ім. В.Н. Бакуля НАН України, м. Київ, директор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Внуков Юрій Миколайович,

Запорізький національний технічний університет,

м. Запоріжжя, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри "Металорізальні верстати та інструменти";

доктор технічних наук, професор

Залога Вільям Олександрович,

Сумський державний університет, м. Суми, професор кафедри “Металорізальні верстати та інструменти”;

Заслужений діяч науки і техніки України

доктор технічних наук, професор

Посвятенко Едуард Карпович,

Національний транспортний університет, м. Київ, професор кафедри "Виробництво, ремонт і матеріалознавство".

Провідна установа:

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра "Інструментальне виробництво", Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться "27" червня 2002 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 ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "17" травня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному інструментальному виробництві застосування надтвердих абразивних матеріалів (НТМ) — синтетичних алмазів (СА) і кубічного нітриду бора (КНБ) розглядається як пріоритетний напрямок збільшення продуктивності і підвищення надійності різальних інструментів. З найбільшою ефективністю інструменти із НТМ застосовуються в технологічних процесах алмазно-абразивної обробки, для яких важлива їхня гарантована стійкість, високі ріжучі властивості і продуктивність. Але, необхідна в сучасних умовах ефективність обробки вольфрамових, безвольфрамових і маловольфрамових сплавів і сталей, інструментальних сталей і керамік практично не забезпечується при глибинах шліфування 0,5–1,0 мм і більше. Це відповідає продуктивності шліфування не більше 1000–3000 мм3/хв., у той час як верстатні системи і промислові технології механообробки обумовлюють необхідність підвищення продуктивності до 3000–5000 мм3/хв. і в недалекому майбутньому до 10000 мм3/хв. В зв'язку із цим інтенсифікація процесів шліфування на основі розвитку технологічних систем і розробки нового покоління шліфувальних кругів із НТМ відноситься до ключових задач машинобудування.

В Україні в області обробки інструментальних матеріалів кругами з НТМ застосовуються різні технологічні процеси шліфування і заточення твердосплавних і сталевих інструментів, що використовуються в метало- та деревообробці і інших напрямах механообробки. Внаслідок широких досліджень Харківської, Київської, Одеської, Запорізької та ін. наукових шкіл запропоновані та встановлені критерії технологічного керування параметрами якості оброблених поверхонь і вибору оптимальних умов роботи інструментів з НТМ. Одним з найбільш ефективних процесів обробки є алмазне шліфування з застосуванням мастильно-охолоджувальних рідин (МОР) чи періодичним введенням у зону різання електричного струму низької напруги для виправлення кругів з НТМ. Прогнозна оцінка сучасного рівня застосування алмазно-абразивних кругів дозволяє обґрунтувати основні показники і напрямки інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами з НТМ. При цьому сучасна концепція інтенсифікації обробки матеріалів визначає застосування методів вібраційного і хвильового впливу, сполучення механічного впливу з хімічними, електричними й іншими процесами обробки, тобто, інтенсивне використання процесів фізико-механічної обробки.

Аналіз досліджень в області вібраційного різання свідчить про перспективність і актуальність розробок у цьому напрямку. Виходячи з того, що процес шліфування є, у певній мірі, вібраційним, висунута гіпотеза про можливість реалізації процесу вібраційно-прецесійного шліфування за допомогою використання механічної енергії шліфувального круга, що обертається, і прецесійного ефекту шліфувальної системи. Задача нашого дослідження полягала у розрахунковому та експериментальному аналізі кінематики процесу алмазно-абразивної обробки матеріалів з метою визначення основних параметрів процесу шліфування, виходячи з вперше нами встановленого і дослідженого вібраційно-прецесійного руху шліфувального круга в процесі шліфування, що дозволяє забезпечити продуктивність шліфування інструментальних матеріалів 5000–10000 мм3/хв. шляхом узгодженої взаємодії функціональних елементів технологічної шліфувальної системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до річних планів науково-дослідних робіт Інституту надтвердих матеріалів ім. В.Н. Бакуля НАН України, що включали теми № 1040 — РН.16.01.16 (1977–1982 рр.), 1824 — РН.82.03.Ц.02.02 (1984–1988 рр.), 1834 (1991–1992 рр.), 1840 (1992–1994 рр.), Д301 (1996–1998 рр.), 1850 (1993–1995 рр.), 1853 (1996–1998 рр.), 1942 (1988–1990 рр.), 1951 (1999–2001 рр.), 1952 (2000–2002 рр.), 1953 (2001–2004 рр.) із проблем: 1.11.6 "Проблеми технологій машинобудування" і 2.24.2 "Розробка наукових основ створення композиційних матеріалів"; по проекту 05.04/02240 Державної науково-технічної програми "Надтверді і керамічні матеріали" (1997–2000 рр.); контрактам з підприємствами України, Росії, Білорусі, Азербайджану, Латвії й інших країн СНД.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розвитку наукових основ інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами із синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора на основі експериментально-аналітичної оптимізації технологічної системи "процес шліфування – шліфувальні круги з НТМ – режими шліфування" для досягнення продуктивності абразивної обробки 5000–10000 мм3/хв. за рахунок спрямованого використання вібраційно-прецесійного ефекту в процесі обробки шліфувальними кругами з функціонально-орієнтованим робочим шаром з НТМ.

Задачі дослідження:

·

· розробити теоретичні основи процесу вібраційно-прецесійного шліфування кругами з НТМ у діапазоні низькочастотних коливань, провести аналітичне дослідження точності обертання шпиндельних вузлів технологічних шліфувальних систем, вивчити особливості кінематики та провести імітаційне моделювання даного процесу шліфування, обґрунтувати вибір кінематичної моделі та встановити можливості застосування адаптивної системи керування процесом вібраційно-прецесійного шліфування;

· дослідити й оптимізувати характеристики кругів для вібраційно-прецесійного шліфування, розробити нові конструкції кругів з алмазо- та кубонітовміщуючих металополімерних і металокерамічних композитів, створити комп'ютерну базу даних про сучасні шліфувальні круги з НТМ;

· розробити технології високопродуктивного алмазного шліфування різальних інструментів з твердих сплавів, інструментальних сталей і керамік: твердосплавних різців загального призначення; ножівкових полотен з інструментальних сталей; дискових дереворіжучих пил з пластинками твердого сплаву; фасонних інструментів; виробів типу "куля" з інструментальної кераміки;

· визначити техніко-економічні показники нових процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами з НТМ, провести комп'ютерно-інформаційну оцінку рівня технологій шліфування;

· розробити технічні рішення по спеціалізованому устаткуванню і технологічним пристроям для високопродуктивних процесів шліфування.

Об'єкт дослідження — інструменти і процеси шліфування інструментальних матеріалів: твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю, інструментальних сталей і керамік кругами з синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора.

Предмет дослідження — встановлення закономірностей процесу шліфування і кінематичних методів керування системою "процес шліфування – шліфувальні круги з НТМ — режими шліфування", що забезпечують використання вібраційно-прецесійного ефекту з метою інтенсифікації і підвищення якості обробки інструментальних матеріалів кругами з синтетичних алмазів та КНБ.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення й опису досліджуваного об'єкта. Її складові: розробка концептуальної моделі інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів, показників працездатності шліфувальних кругів з НТМ, кінематики процесу вібраційно-прецесійного шліфування, закономірностей багатопрохідного і глибинного шліфування твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю, кінематичних моделей ріжучих поверхонь шліфувальних кругів. Реалізовувалося теоретичне положення про те, що технологічна шліфувальна система є сукупність нелінійних підсистем обумовлених інтегральними і локальними функціональними зв'язками, ієрархія яких включає верстатну систему, систему шпиндельного вузла і систему абразивного різання, у тому числі, шліфувальні круги з НТМ.

Розроблений та використаний інформаційно-вимірювальний комплекс "Шліфування — НТМ", що дозволяє виконувати аналіз змін показників працездатності кругів і якості шліфування інструментальних матеріалів у діапазоні низькочастотних коливань, а також експрес-методика вивчення кінематики обертання шпиндельного вузла. Створена система імітаційного моделювання процесу торцевого шліфування. Застосовувався розроблений у ІНМ НАНУ аналітичний комплекс для діагностики складу та структури алмазо- і кубонітовміщуючих композитів (рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз); аналізу зображень оброблених поверхонь (оптична і растрова мікроскопія поверхні); вивчення масопереносу інструментальних матеріалів на ріжучу поверхню кругів (елементний аналіз); дослідження ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з НТМ (анізотропія й орієнтація мікрорельєфу абразивовміщуючої поверхні). Виконувалася оцінка похибок вимірювання досліджуваних показників.

Теоретичні положення моделі інтенсифікації процесів шліфування сформульовані на основі кінематики абразивної обробки інструментами з НТМ, яка визначає створення спрямованих ефектів вібрації і прецесії в зоні обробки, аналітично встановлені основні положення вібраційного різання з урахуванням точності обертання шпиндельного вузла технологічної системи. Це дозволило розробити і застосувати новий процес вібропрецесійного шліфування без додаткового застосування зовнішніх джерел коливань. Як наслідок, це забезпечило значне підвищення продуктивності шліфування і зниження його ефективної потужності.

В інформаційно-аналітичному дослідженні застосовували Інтернет-систему як джерело інформації. Використовували методику математичного планування багатофакторних експериментів. Статистичні методи застосовувалися для оптимізації досліджуваних параметрів і обробки результатів експериментів. Використовувалися програми комп'ютерної оцінки точності вимірювальних пристроїв. Були одержані рівняння регресії. Складено комп'ютерну базу даних про шліфувальні круги із НТМ і технологіям обробки з їхнім застосуванням.

Наукова новизна одержаних результатів:

·

· вивчено динамічні процеси, характерні для технологічної шліфувальної системи, що дозволило на основі відомих теоретичних положень вібраційного різання і урахування точності обертання шпиндельного вузла технологічної системи розробити і застосувати новий процес шліфування, при якому вібропрецесійний рух шліфувального круга в напрямку подовжньої і поперечної подач збільшує продуктивність абразивної обробки;

· аналіз кінематики функціональної системи шпиндельного вузла в тривимірному просторі дозволив визначити його кінематичні характеристики як багатоланкового механізму, для якого аксоїд інтегрального обертання є конічною поверхнею, і як наслідок, обґрунтувати основні закономірності зміни параметрів вібропрецесійного шліфування, що визначають збільшення працездатності кругів з НТМ у діапазоні низькочастотних коливань;

· запропонована і обґрунтована імітаційна модель процесу вібропрецесійного шліфування і показано, що кінематичні поверхні різання утворюються внаслідок інтегрального руху, у тому числі під впливом сили різання, а виявлені закономірності свідчать про створення квазірегулярних мікрорельєфів різних видів, що описуються Фур'є-функціями і визначаються показниками орієнтації, анізотропії і шорсткості поверхонь;

· встановлено закономірності процесів багатопрохідного і глибинного алмазного шліфування твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю і визначені умови оптимізації параметрів процесів, при яких їхня оброблюваність обумовлена не тільки характеристиками інструментальних композитів з НТМ, але і характеристиками технологічної шліфувальної системи, і внаслідок цього досягається підвищення продуктивності і зниження потужності вібропрецесійного шліфування, що визначається забезпеченням кінематичних умов оптимальності числа алмазних зерен на одиниці ріжучої поверхні шліфувального круга;

· запропоновані і обґрунтовані кінематичні моделі ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з НТМ, які функціонально визначаються шириною робочого шару, режимами шліфування і характеристиками технологічної системи, що характеризує кінетику даного процесу та забезпечує формування поверхневого шару робочих поверхонь і мікрогеометрії ріжучої кромки твердосплавних інструментів при глибинах шліфування порядку 0,5-1 мм і більше.

Практичне значення одержаних результатів:

·

· розроблена низка нових шліфувальних кругів з функціонально-орієнтованим робочим шаром зі спеціальних алмазо- і кубонітовміщуючих інструментальних композитів, для виробництва яких застосовується система автоматизованого проектування САПР АІНТМ;

· розроблені нові ефективні технологічні пристрої для глибинного, вібраційно-прецесійного і багатопрохідного шліфування, подачі МОР, обробки різальних інструментів, а також спеціалізоване автоматизоване устаткування (верстат-автомат мод. М3-54 і ін.);

· розроблено комп'ютерну базу даних вітчизняних та закордонних шліфувальних кругів з НТМ, а також комп'ютерно-інформаційну систему оцінки рівня технологій шліфування кругами з НТМ;

· запропоновано нові технічні рішення (захищені авторськими свідоцтвами і патенти) по автоматизованому устаткуванню і технологічним шліфувальним системам для високопродуктивних процесів шліфування кругами з НТМ, у тому числі вперше створені пристрої для вібраційно-прецесійного шліфування з адаптивною системою керування;

· розроблені і видані рекомендації, прайс-каталоги і слайд-фільми. Автор брав участь у розробці двох державних стандартів України: ДСТУ 2486–94 “Алмази та інструменти алмазні. Терміни та визначення” і ДСТУ 3292–96 “Порошки алмазні синтетичні. Загальні технічні умови”;

· одержані наукові і практичні результати реалізовані в період з 1980 по 2001 рр. на підприємствах України, Росії, Бєларусі, Латвії, Азербайджану із збільшенням продуктивності обробки в 2–3 і більше раз, підвищенням стійкості інструментів в 1,3–2,5 рази, зниженням витрат кругів з НТМ у 1,5–2 рази, підвищенням надійності та довговічності різальних інструментів.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі приведені результати досліджень, виконаних під науковим керівництвом і при особистій участі автора в період з 1976 по 2001 рр.

Безпосередньо автором виконані:

·

· аналіз розрахунковими та експериментальними методами кінематики процесів вібраційно-прецесійного шліфування;

· розроблені моделі формоутворення ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з НТМ;

· імітаційне моделювання за оригінальною методикою процесів шліфування з метою вивчення ефектів вібрації і прецесії технологічної шліфувальної системи;

· міцності ріжучої кромки інструментів методом мікросколювання.

Безпосередньо з особистим вкладом і під науковим керівництвом автора проведені дослідження: якості шліфування інструментальних матеріалів; зносостійкості та продуктивності шліфувальних кругів і ефективної потужності шліфування; діагностики алмазо- і кубонітовміщуючих композитів; масопереносу інструментальних матеріалів на ріжучу поверхню шліфувальних кругів з НТМ; анізотропії й орієнтації ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з НТМ; аналізу зображень шорсткості поверхонь.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були обговорені та схвалені на науково-технічних конференціях (НТК) та семінарах (НТС): міжнародній НТК "Надтверді інструментальні матеріали на рубежі тисячоріч: одержання, властивості, застосування" (м. Київ, ІНМ НАНУ, 2001 р.); міжнародній НТК “Процеси механічної обробки, верстати та інструмент” (м. Житомир, ЖІТІ, 2000, 2001 рр.); міжнародному НТС “Високі технології” (м. Харків — м. Алушта, ХДТУ, 1991, 1995, 1998, 2000, 2001 рр.); міжнародній НТК “Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві" (м. Харків, НВК "ФЭД", 2001 р.); міжнародному НТС "Машинобудування. Металургія" (м. Запоріжжя, АТМ України, 1999, 2001 рр.); міжнародній НТК "Процеси абразивної обробки, абразивні інструменти і матеріали" (м. Волзький, ВолгГАСА, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 рр.); міжнародній НТК "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах" (м. Славське, УІЦ “Наука. Техніка. Технологія”, 2001 р.); міжнародній НТК “Надійність машин та прогнозування їх ресурсу (м. Івано-Франківськ — м. Яремча, ІФДТУНГ, 2000 р.); міжнародній НТК "Прогресивні технології в машинобудуванні" (м. Одеса, АТМ України, 2000 р.); міжнародній НТК "Прогресивні технології і системи машинобудування" (м. Донецьк, ДонДТУ, 2000 р.); міжнародній НТК “Проблеми машинобудування на порозі ХХ1 століття (м. Баку, НТУ, 2000 р.); міжнародній НТК "Склокерамтех-99" (м. Київ, 1999 р.); міжнародному НТС "Сучасні матеріали, технології, устаткування й інструменти в машинобудуванні" (м. Київ, ІНМ НАНУ, 1999 р.); міжнародному НТС "Світ алмазного інструменту” (м. Київ, ІНМ НАНУ, 1999 р.); міжнародній НТК "Сучасні матеріали, устаткування і технології зміцнення і відновлення деталей машин" (м. Новополоцьк, НАНБ, 1999 р.); міжнародній НТК "Технологічне керування якістю поверхні деталей" (м. Брянськ, БДТУ, 1998 р.); міжнародному НТС "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва" (м. Київ, АТМ України, 1998 р.); міжнародному НТС "Технології й інструменти зі НТМ в автомобільній і авіаційній промисловості" (м. Київ, АТМ України, 1997 р.); міжнародній НТК "Нафта і газ України-96" (м. Харків, УкрНДІгазУ, 1996 р.); міжнародній НТК "Сучасні проблеми машинознавства" (м. Гоміль, ГДТУ, 1996 р.); міжнародній НТК "Удосконалювання процесів фінішної обробки в машино- і приладобудуванні, екологія і захист навколишнього середовища" (м. Мінськ, БГПА, 1995 р.); міжнародному НТС "Нові матеріали і їхнє застосування в машинобудуванні" (м. Київ, АТМ України, 1992 р.); міжнародній НТК “Абразивні матеріали, інструменти і процеси абразивної обробки" (м. Ленінград, ВНИИАШ, 1991 р.); міжнародній НТК "Інструменти з надтвердих матеріалів і продуктивні технології" (м. Чикаго, Асоціація НТМ, 1991 р.).

Дисертація доповідалася і одержала позитивну оцінку на розширеному засіданні науково-технічного семінару і секції Вченої ради "Технологія обробки і інструменти з надтвердих матеріалів у машино- та приладобудуванні" Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України (протокол № 2 від 15 лютого 2002 р.) та на міжнародному науково-технічному семінарі "Високі технології: розвиток та кадрове забезпечення" (м. Алушта, 12-17 вересня 2001р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 230 роботах, серед яких — 3 монографії, 9 брошур, 25 авторських свідоцтв СРСР на винаходи, 26 патентів України, 2 патенти Росії, 2 державних стандарти України. Без співавторства опубліковані 22 роботи й одержаний один патент України.

Державні премії України в області науки і техніки. Дві технології, розроблені при виконанні даної дисертаційної роботи: обробка твердих сплавів алмазно-абразивним інструментом з переривчастою робочою поверхнею та обробка інструментальних сталей кругами з кубічного нітриду бора, представлені в складі робіт Одеським політехнічним університетом Міністерства освіти і науки України та Інститутом надтвердих матеріалів ім. В.Н. Бакуля НАН України, відповідно в 1986 і 1996 р.р. одержали Державні премії України в області науки і техніки.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків, чотирьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 524 сторінки; з них 35 ілюстрацій по тексту, 96 ілюстрацій на 110 сторінках; 54 таблиці по тексту, 59 таблиць на 113 сторінках; 4 додатка на 73 сторінках; 280 найменувань використаних літературних джерел на 31 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, наведені мета і задачі дослідження, викладаються наукові положення, що виносяться на захист, наукова та прикладна новизна одержаних результатів, місце і практичне значення створених розробок, дана загальна характеристика дисертації.

В першому розділі розглядається концепція можливого прогнозу розвитку технологій алмазно-абразивної обробки, аналізується проблема інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами з СА і КНБ. Подано структуру застосовуваних інструментальних матеріалів на світовому ринку. Розглянуті тенденції сучасного матеріалознавства в машинобудуванні на основі аналізу застосованих конструкційних матеріалів, що характеризуються унікальними фізико-механічними й експлуатаційними властивостями. Застосування НТМ, як особливо ефективної інструментальної продукції, є пріоритетним напрямком у механообробці, що обумовлює ефективність технологічних шліфувальних систем.

Констатується, що для інтенсифікації процесів обробки переважно застосовують додаткову електричну енергію. Для середнього рівня продуктивності шліфування 1000–3000 мм3/хв. це дає значний ефект, але при переході до якісно нового рівня продуктивності обробки 3000–5000 мм3/хв. ці рішення певною мірою не спрацьовують, оскільки дія електрохімічних процесів не встигає за швидкістю механічного руйнування та видалення матеріалу, а дія електроерозійних призводить до прискорення і катастрофічного зносу шліфувальних кругів з НТМ.

Найбільш розповсюдженою є модель абразивного різання, що базується на врахуванні фізико-механічних процесів у поверхневому шарі оброблюваних матеріалів у взаємозв'язку з кінематичними, динамічними, теплофізичними та іншими факторами, у т.ч. з накладенням коливань, і визначає характер контактної взаємодії НТМ та оброблюваних матеріалів, а також формування ріжучої поверхні шліфувальних кругів. Введення в зону різання коливань з амплітудою до 20 мкм збільшує продуктивність шліфування. Механічні періодичні зміщення, що визначаються як вібрація, з одного боку, є негативним елементом довговічності технологічної системи, а з іншого боку – ефективним засобом інтенсифікації процесу обробки, якщо вібрація реалізується як вібротехнологія.

Проведені патентно-інформаційні дослідження дозволили визначити напрямки досліджень і показано, що основним їх напрямом може бути розробка концептуальної моделі інтенсифікації процесів шліфування на основі вирізнення основного фактора впливу — кінематики абразивного різання інструментом з НТМ на базі ефектів вібрації і прецесії шліфувальної системи, що дозволяє, з урахуванням інтегральної взаємодії функціональних елементів технологічної системи, забезпечити істотне збільшення продуктивності абразивної обробки без введення в зону обробки додаткової енергії.

В другому розділі аналізуються експериментальні дані і технологічні основи інтенсифікації процесів шліфування твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю кругами з функціонально-орієнтованим робочим шаром з НТМ. Подані закономірності роботи і зносу синтетичних алмазів, що визначають ріжучу здатність, продуктивність і зносостійкість кругів, силові і температурні характеристики процесів шліфування. Вивчено експериментальну залежність граничної товщини шару матеріалу, що знімається окремим алмазним зерном, від основних факторів впливу. Показано, що знос інструментальних композитів (зв'язок) кругів і марок алмазів при шліфуванні твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю впливає на процес шліфування. Так, марки алмазів (рис. 1, а, б) характеризуються оптимальною величиною шару, що піддається зрізанню, при якій одиничне зерно максимально використовується. Збільшення міцності алмазних зерен (рис. 1, в, г) підвищує припустиму товщину зрізу, що приходиться на зерно. При цьому переважним видом руйнування як твердих сплавів, так і сталі 45 є зріз (рис. 1, д, е).

Встановлено залежність показників працездатності алмазних кругів на металевих (М2-01, М1-04, М3-16, М1-05, М2-09, М1-01, М1-02, М5-22) і полімерних (В2-01, В1-11П, В2-07, В2-08, В1-13) зв'язках при багатопрохідному і глибинному шліфуванні від різних видів покриття (М, С, А1, А2, КЭП) і характеристики (марка і зернистість) алмазів, особливостей конструкції робочого шару кругів з одно-, двох-, тришаровим, переривчастим і ексцентричним робочими шарами.

а) б)

Алмазні зерна шліфпорошків марок: а — RWG-W-D126 (Де Бірс, Англія), б —АС6 125/100-Н1Д-127 (ІНМ, Україна)

в) г) д) е)

Вплив вибору марок алмазів на tф/tз при різанні: в — твердого сплаву ВК6 і г — сталі (Vкр=15 м/с, Sпод=2 м/хв) Характер слідів-подряпин при різанні твердого сплаву ВК6 синтетичними алмазами шліфпорошків марок АС100д) і АС6 (е)

Рис.1. Закономірності роботи алмазного зерна

Виявлено, що зносостійкість кругів з металізованими алмазами у порівнянні з кругами з неметалізованих та зі склопокриттям алмазів на 20–40% вище. Склопокриття алмазів забезпечує більш високу ріжучу здатність і продуктивність кругів, зниження температурно-силового впливу на процес абразивної обробки. Працездатність кругів на металевих і полімерних зв'язках з алмазів з електрохімічним покриттям на основі сплаву Со-Ni із включенням карбідів тугоплавких металів рівнозначна кругам з металевим покриттям алмазів.

Характеристики алмазних кругів впливають на динаміку і теплові явища при шліфуванні і визначають режим різання. Так, оптимальна швидкість різання залежить від площі контакту круга з оброблюваною поверхнею, концентрації та зернистості алмазів (рис. 2). Менша витрата алмазів характерна для меншої теплонапруженості процесу шліфування, залежить від розміру і міцності зерен НТМ.

Оброблюваність твердих сплавів різних марок визначається їхніми фізико-механічними властивостями, що характеризують тріщиностійкість. При спільній обробці твердого сплаву і сталі оброблюваність сталі обумовлює ефективність алмазного шліфування за рахунок виділення і відводу тепла.

В процесах багатопрохідного і глибинного шліфування на робочому шарі шліфувального круга формується ріжуча функціональна поверхня (рис.3). Її форма і геометричні параметри залежать від режимів обробки і ширини робочого шару кругів. Характерне утворення трьох ріжучих поверхонь, та відповідні їхні ролі в процесі шліфування: головної (вгл), допоміжної (вдоп) і додаткової (вдод). Установлено, що знімання припуску визначається головною і додатковою ріжучими поверхнями, якість обробленої поверхні і, насамперед її шорсткість, визначається допоміжною ріжучою поверхнею.

Параметри ріжучої поверхні кругів знаходяться в пропорційній залежності від подовжньої і поперечної подач, що є передумовою для аналітичних розрахунків оптимальних режимів обробки. Встановлено, що оптимальне співвідношення подовжньої і поперечної подач для розглянутих процесів шліфування складає SподхSпопЈ0,2. У табл. 1 представлені показники процесу глибинного алмазного шліфування твердих сплавів, характерні для зазначеного значення подач.

Рис.3. Профілі функціональних ріжучих поверхонь алмазних кругів (12А2-450 150х20-АС6 125/100 М-М1-04-100) при глибинному шліфуванні: 1,2,3,4 — b=4; 10; 20; 20 мм

Таблиця 

Показники глибинного алмазного шліфування твердих сплавів

(ВК6, Vкр=17 м/с, Sпод=0,3 м/хв, Sпоп=0,6 мм/пдв.х.)

Характеристика алмазних кругів qp, мг/г qv, мг/см3 Рх, Н Ру, Н Рz, Н Тк, 0С Рэф, кBт Rа, мкм Суд, грн/см3

Марка алмазів Зернистість алмазів Концентрація алмазів, % Ширина алмазоносного шару, мм

АС2М 125/100 100 10 0,66 9,63 63 242 121 440 1,12 1,24 0,031

АС4М 0,43 6,27 62 268 143 445 1,53 1,29 0,028

АС6М 0,39 5,69 64 271 143 488 2,08 1,43 0,029

АС6 0,44 6,42 54 267 146 433 1,81 1.15 0,030

АC6М 80/63 100 10 0,53 7,73 65 275 150 448 1,65 1,30 0,035

125/100 0,43 6,27 62 268 143 445 1,53 1,29 0,028

200/160 0,28 4,08 63 260 143 446 1,43 1,38 0,027

250/200 0,32 4,67 62 262 139 437 1,39 1,47 0,028

АС6М 125/100 50 10 0,38 5,54 50 259 136 420 1,36 1,52 0,025

100 0,43 6,27 62 268 143 445 1,53 1,29 0,028

150 0,45 6,57 62 270 144 453 1,60 0,82 0,034

200 0,61 8,90 63 273 147 458 1,66 1,30 0,036

АС6М 125/100 100 5 8,63 12,6 54 243 130 408 1,30 2,79 0,144

10 0,48 7,00 62 268 143 445 1,53 1,27 0,028

15 0,34 4,96 63 273 147 450 1,60 1,03 0,027

20 0,38 5,54 63 275 146 452 1,60 0,76 0,028

Досліджено закономірності формування поверхневого шару робочих поверхонь і мікрогеометрії ріжучої кромки інструментів і показано, що фактори, які впливають на параметри одиничних зрізів, обумовлюють різні умови формування поверхонь і ріжучої кромки, зміну фізичного стану поверхневого шару. При глибинному алмазному шліфуванні (табл. 2) найбільший вплив на знос і міцність ріжучої кромки твердосплавного інструмента чинять характеристики шліфувального кругу; при зміні режимів шліфування міцність ріжучої кромки міняється незначно, у т.ч. при глибинах шліфування порядку 0,5–1 мм.

Дослідження технологічних умов інтенсифікації процесів шліфування кругами з функціонально-орієнтованим робочим шаром з НТМ показало, що можливості оптимізації характеристик шліфувальних кругів з існуючих НТМ, режимів шліфування, ефективних МОР і ряду інших технологічних факторів при обробці інструментальних матеріалів дозволяють досягти рівня продуктивності шліфування 1000-3000 мм3/хв. Для подальшого її збільшення необхідно використовувати нові технологічні рішення.

Таблиця 

Показники мікрогеометрії, міцності на мікроскалування та інтенсивності зносу ріжучої кромки при глибинному шліфуванні твердого сплаву марки ВК6 (12А2-45° 150х10-АС6 125/100 М-М1-04, 12А2-45° 125х10-АС6 63/50 М-М1-04-100, е=2 мм)

Режими шліфування r, мкм hз, мкм sмкс, МПа WL, мкм/100м

Vкр, м/с Sпод, м/хв Sпоп, мм/пдв.х.

8,7 0,1 0,3 0,5 0,6 5-10 5-10 5-10 5-10 5-12 5-12 1192 1186 1192 1,80 1,71 2,01

0,1 0,3 0,5 1,0 5-7 6-11 12-20 6-10 6-12 15-20 1193 1212 1228 2,07 2,10 2,28

16,9 0,1 0,3 0,5 0,6 5-10 4-6 4-6 7-10 4-6 5-10 1188 1175 1184 1,60 1,40 1,60

0,1 0,3 0,5 1,0 5-10 5-8 5-8 5-10 5-8 6-10 1189 1187 1192 2,34 2,09 2,22

33,8 0,1 0,3 0,5 0,6 6-8 4-6 4-8 6-10 5-8 5-10 1196 1186 1198 1,60 1,45 1,58

0,1 0,3 0,5 1,0 4-8 5-8 5-8 4-80 6-10 6-10 1170 1201 1199 2,35 2,08 2,09

Третій розділ містить теоретичні положення і результати експериментальних досліджень розробленого автором вперше процесу вібраційно-прецесійного шліфування. Реалізовано теоретичне положення, що полягає в тому, що процес шліфування переважно є вібраційним і, як метод абразивної обробки, базується на використанні імпульсних сил різання. Керування вібраційно-прецесійним рухом шліфувального круга у напрямку різання-шліфування приводить до істотної інтенсифікації продуктивності обробки і підвищенню якості оброблених поверхонь.

У загальному балансі показників точності руху елементів технологічної шліфувальної системи домінує точність руху (траєкторія руху) шпиндельного вузла, що створює пружне силове поле, яке визначає силові і кінематичні параметри контактної взаємодії шліфувального круга і поверхні оброблювальної деталі. Вивчено динамічну модель шпиндельного вузла як консольного ротора і методом кінетостатики встановлені просторові траєкторії руху ротора з урахуванням змін сили різання.

Розроблено кінематичну схему (рис.4) технологічні шліфувальні системи і виконано її аналіз для вібраційно-прецесійного шліфування. Вирізнено передню опору шпиндельного вузла у вигляді квазішарнірного карданного механізму, який забезпечує обертальний рух, і задню опору, що знаходиться в пружному силовому полі. За програмно-виконавчий механізм прецесійного руху, тобто засіб створення коливань, застосований кінематичний механізм, який забезпечує керування настроюванням обертального руху шпинделя.

Рис.4. Кінематична схема шпиндельного вузла

На підставі досліджень кінематики руху шпиндельного вузла на основі складеної ангулярної кінематичної схеми одержана розрахункова математична модель. Визначені розрахунково-експериментальні кінематичні поверхні руху шліфувального круга при вібраційно-прецесійному шліфуванні (рис.5). Аналіз комп'ютерних версій на моделі показує, що в результаті прецесійного ефекту обертова навколо осі YY робоча поверхня шліфувального круга робить у тривимірному просторі рухи, кінематичні характеристики яких визначаються величиною амплітуди і положенням геометричної осі шпинделя. Був визначений вид кінематичної поверхні прецесійного руху шліфувального круга в 3-D просторі і її проекції на площини XZ, YZ і XY.

Рис. 5. Кінематична модель поверхні руху осі шліфувального круга в процесі вібраційно-прецесійного шліфування

На робочій поверхні шліфувального круга були виділені її складові елементи. Елементи I, II, III, IV робочої поверхні шліфувального круга (рис.6) при обертанні утворюють локальні кінематичні поверхні, форма і геометричні параметри яких визначаються їх розташуванням щодо геометричної осі шпинделя. Збільшення амплітуди прецесійного руху шпинделя забезпечує характерне формоутворення робочої поверхні круга, що включає сполучення еліптичних поверхонь у площині ХZ з поверхнями інших форм у площинах ХY і ZY.

Кінематична схема вібропрецесійного шліфування, що була розроблена, дозволяє виділити синусоїдальні коливання шліфувального круга в напрямку різання-шліфування з частотою й амплітудою, для яких виконуються граничні умови по швидкості різання. При цьому забезпечуються статична і динамічна урівноваженість ротора (Аа=min), а також узгодження векторного напрямку амплітуди коливань щодо векторів подовжньої і поперечної подач.

Експериментально визначені кінематичні характеристики, критерії яких введені в залежності Аа=f(Аi), що характеризують передаточні відношення шпиндельного вузла як багатоланкового механізму. Показано, що вибраний шпиндельний вузол, представлений циклічним багатоланковим механізмом, забезпечує певний заданий аксоїд інтегрального руху шліфувального круга.

На основі імітаційного моделювання вивчений вплив окремих параметрів процесу вібраційно-прецесійного шліфування на кінематичні характеристики шліфувальної системи. Показано, що кінематичні поверхні різання (рис.7), що сформувалися в результаті вібропрецесійного процесу обробки, складні за формою і складаються з декількох окремих поверхонь, що утворюються внаслідок інтегрального руху. На формування профілю кінематичних поверхонь різання впливає сила різання, що свідчить про прецесійне переміщення осі шпиндельного вузла під впливом зовнішнього навантаження. При цьому вектор переміщення осі шпинделя орієнтований у напрямку подовжньої подачі, що для процесу шліфування особливо важливо та ефективно.

Рис. 6. Кінематичні поверхні, утворені торцевою робочою

поверхнею шліфувального кругу

Вивчено закономірності утворення мікрорельєфів поверхонь різання і встановлений їх квазірегулярний характер, що дозволяє використовувати регуляризацію для інтенсифікації процесу обробки за рахунок таких параметрів мікрорельєфу, як форма, висота і взаєморозташування нерівностей. Закономірності формування кінематичних поверхонь із квазірегулярним мікрорельєфом підтверджують дослідження показників орієнтації, анізотропії і шорсткості оброблюваних поверхонь (табл. 3). Параметри опорних кривих t20 і t50 при збільшенні Аа від 4 до 16 мкм складають відповідно 1,27 і 17,97% і 22,46 і 66,02%, для еталонного зразка 24,72 і 65,25%, тобто структура нерівностей кінематичних поверхонь істотно відрізняється та у кількісному вираженні не перевищує структуру еталонного зразка (Rа 0,63 мкм).

Таблиця 

Показники орієнтації, анізотропії та двомірний Фурье-аналіз шорсткості кінематичних поверхонь, які сформовані при торцевому точінні дисків із сплаву марки АК6 (Sпод=0,1 м/хв, Sпоп =0,05+1,0 мм)

Vкр, м/с Аа, мкм Sпоп, мм/пдв.х. Орієнтація поверхні, град. Анізотропія поверхні, % Y=A0+A1x+A2x2+…+Anxn

А0 А1 А2 А3 А4

8,5 5 0,05 92 61,5 2,30 1,21 0,78 0,58 0,47

1,0 92 61,8 2,20 1,11 0,73 0,55 0,44

50 0,05 92 70,0 5,20 2,60 1,70 1,30 1,01

1,0 95 66,1 6,50 1,60 1,10 0,81 0,65

14 5 0,05 94 64,7 1,71 0,83 0,56 0,42 0,33

1,0 93 60,0 5,31 2,70 1,80 1,30 1,11

50 0,05 92 69,4 1,80 0,92 0,61 0,46 0,87

1,0 94 69,6 4,91 2,41 1,60 1,20 0,97

Еталонний зразок шорсткості поверхні Rа ,63 90 19,5 3,50 1,80 1,20 0,88 0,70

Вивчена 2D і 3D – топографія кінематичних поверхонь (рис.8, 9), сформованих при Аа=5 і 50 мкм, і встановлено, що вони характеризуються високим ступенем розвиненості мікронерівностей, характерних як для інтегральної, так і локальної поверхонь. При цьому спостерігається розвиток мікронерівностей профілю локальної поверхні. Збільшення Аа змінює структуру шорсткості поверхонь, що обумовлено вібраційно-прецесійним характером їхнього формування.

Рис.9. Поверхні різання, утворені при Аа=5 мкм та Аа=50 мкм

Досліджено кінематичні моделі функціональних ріжучих поверхонь шліфувальних кругів із НТМ (табл. 4, рис. 10), що визначаються шириною робочого шару, режимами шліфування і характеристиками технологічної шліфувальної системи, яка характеризує кінематику процесу вібраційно-прецесійного шліфування і дозволяє реалізувати адаптивну систему керування при глибинах шліфування до 5 мм.

Таблиця 

Математичні моделі профілів ріжучих поверхонь алмазних кругів

Номер профілю Y=A0+A1x+A2x2+…+Anxn

А0 А1 А2 А3

1 -68,387 -122,900 7,321 -0,124

2 27,646 -136,573 1,292 0,151

3 52,413 -233,859 6,462 0,059

4 79,949 -275,625 4,021 0,213

5 -4,751 -127,340 -17,897 0,879

6 -45,025 -103,560 -16,992 0,734

Четвертий розділ присвячений розробці і дослідженню шліфувальних кругів із НТМ, що використовуються при вібропрецесійному шліфуванні твердих сплавів; обґрунтовані оцінки конкурентноздатності інструментів із закордонними зразками та їх технічним рівнем. Розглянуто зміст комп'ютерної бази даних про шліфувальні круги різних виробників.

При шліфуванні твердих сплавів (табл. ) з SподхSпопЈ1 найбільша працездатність встановлена для кругів на металевій зв'язці марки М1-04 з одно- і тришаровими робочими шарами; при SподхSпопЈ0,5 — кругів на металокерамічній зв'язці марки КМ1; приподхSпопЈ0,3 — кругів на полімерних і металополімерних зв'язках марок МО2, В2-01-1 і ін. Новий процес характеризується значно меншою потужністю шліфування, значення якої при SподхSпопЈ1 складають 1,5 кВт, що багаторазово менше, ніж для відомих процесів алмазно-абразивної обробки.

Таблиця 

Показники працездатності алмазних кругів при вибропрецесійном шліфуванні твердих сплавів (Vкр=20 м/с, Sпод=3 м/хв, Аа=2 мкм, МОР, ВК6)

Зв'язка алмазних кругів Характеристика алмазних кругів Sпоп, мм/пдв.х. Показники

qР, мг/г qV, мг/см3 РЭФ, кВт Ra, мкм

Полімерна, металополімерна 12А2-45О 150х20-АС6 200/160М-В2-01-1-100 0,1 0,2 1,10 3,16 16,06 46,14 0,50 0,90 0,80-0,90 1,01-1,10

12А2-45О 150х20-АС6 125/100М-В1-11П-125 0,1 0,2 1,82 11,01 27,98 160,75 0,23 0,82 0,12-0,16 0,14-0,18

12А2-45О 150х20-АС6 160/125М-В1-11П-100 0,1 0,2 1,68 6,56 24,53 95,78 0,23 0,84 0,22-0,27 0,25-0,33

12А2-45О 150х20-АС6 200/160М-В1-11П-125 0,1 0,2 0,80 4,20 11,68 58,40 0,25 0,82 0,15-0,20 0,21-0,24

12А2-45О SS 150х20 (5+5+5)-АС6 160/125, 63/50, 63/50М-В1-11П-100 0,1 0,2 1,45 9,27 21,17 135,34 0,36 1,02 0,27-0,30 0,30-0,32

12А2-45ОSS 150х20(10+1/2x x5+1/2x5)-АС6 160/125, 63/50, 63/50М-МО2 -100 0,1 0,2 0,74 6,77 10,80 98,84 0,33 1,03 0,21-0,31 0,34-0,36

12А2-45ОSS 150х10- АС6 125/100М-В1-13-125 0,1 0,2 3,25 15,75 47,45 229,95 0,41 1,24 0,29-0,31 0,36-0,40

12А2-45О 150х10(5+5)- АС6 160/125, 63/50 М- В1-11П-100 0,1 0,2 5,21 15,63 76,07 228,20 0,51 1,33 0,25-0,31 0,34-0,36

Метало керамічна 12А2-45О 150х10- АС6 160/125 – КМ1 -100 0,2 0,3 1,04 9,56 15,18 139,58 1,03 1,24 0,29-0,42 1,70-1,80

12А2-45О 150х20-АС6 160/125 - КМ1 – 100 0,2 0,3 1,13 5,13 16,50 74,90 0,81 2,51 0,62-0,66 1,20-1,30

Металева 12А2-45О 150х10-АС6 200/160М – М1-04-100 0,2 0,3 0,99 5,53 14,45 80,74 1,12 1,51 0,58-0,64 1,50-1,60

12А2-45О 150х20-АС6 200/160М – М1-04-100 0,2 0,3 0,65 1,30 9,49 18,98 1,13 1,22 0,50-0,58 1,05-1,25

12А2-45О 150х20(5+10 +5)-АС6200/160,63/50, 200/160М– М1-04-100 0,2 0,3 0,82 1,74 11,97 25,40 1,02 1,53 0,20-0,26 0,54-0,70

Найбільша зносостійкість кругів досягається при величині Da=±100 мкм (рис.11), що характеризує відхилення геометричної осі шпиндельного вузла щодо вектора подовжньої подачі, тобто геометрична вісь у площині ХY повинна розташовуватися під кутом до вектора подовжньої подачі і тим самим визначати умови формування оптимальної ріжучої поверхні шліфувальних кругів. Значимими параметрами даного процесу шліфування є також величина Аа (див. рис. 11), що характеризує амплітуду шпиндельного вузла (шліфувального круга), і величина Dз, що характеризує жорсткість пружної опори. Оптимальне значення величини Аа знаходиться в діапазоні 2–5 мкм. Зі збільшенням величини Dз, від 10 до 20 мкм зносостійкість кругів і шорсткість поверхні знижуються, а ефективна потужність зростає.

а) б)

Рис. 11. Вплив Da на відносні витрати алмазів (а) та ефективну потужність (б): 1, 2, 3 – Аа=2; 5; 15мкм (12А2-450 150х20-АС6 200/160, 63/50, 200/160 М-М1-04-100, Sпод=3 м/хв, Sпоп=0,5 мм/пдв.х)

Установлені залежності впливу режимів шліфування при вібраційно-прецесійному шліфуванні аналогічні для багатопрохідного і глибинного процесів обробки. Зі збільшенням швидкості кругу зносостійкість кругів (рис.12) і