НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В.М.Бакуля

ЛЄЩУК Ірина Венедиктівна

УДК 621.923.6

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ ШЛІФУВАННЯ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ СПРЯМОВАНОЮ ЗМІНОЮ ХАРАКТЕРИСТИК РОБОЧОГО ШАРУ КРУГІВ З НТМ

Спеціальність 05.03.01 –

Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України, м. Київ

Науковий керівник : | доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Лавріненко Валерій Іванович,

завідувач відділу,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля

НАН України

Офіційні опоненти : | доктор технічних наук, професор

Доброскок Володимир Ленінмирович,

професор кафедри „Інтегровані технології в машинобудуванні”,

НТУ „Харківський політехнічний інститут” Міносвіти і науки України

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Сохань Сергій Васильович,

старший науковий співробітник,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля

НАН України

Захист відбудеться 24__квітня__ 2008 року о 1330 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацiєю можливо ознайомитися у бiблiотецi при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

Автореферат розiсланий 22 березня__ 2008 р.

В.о. вченого секретаря

спецiалiзованої вченої ради,

доктор технiчних наук, професор А.Л.Майстренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Аналіз сучасного стану ринку інструментів в Украї-ні свідчить про збільшення потреб виробництва у сучасних інструмен-тальних матеріалах: швидкоріза-льних сталях, твердих сплавах, кераміці. Як наслідок, виникає, а в найближчий період ще більше загостриться, нага-льна проблема, обумовлена необхідністю у ефективній обробці традиційних та нових інстру-ментальних матеріалів. Особли-во це є важливим для високо-продуктивних процесів шліфування, коли необхідно забезпечити одночасно і високу якість оброблюва-ної поверхні і економічність обробки. Для забезпе-чення цих умов необхідно мати надійний інструмент, зокрема шліфувальний, ефективність абразивної обробки яким базується на широкому використанні надтвердих матеріалів (НТМ) – алмазу та кубічного нітриду бору (КНБ). Тому, підвищення продуктивності оброб-ки інстру-менталь-них матеріалів, зносостійкості шліфувальних кругів з НТМ та експлу-атаційних показників оброблюваних різальних інструмен-тів є надзвичайно актуальним. Останнім часом для вирішення вказаних вище проблем викорис-товують примусовий вплив на робочу поверхню кругу у вигляді абразивної правки або у вигляді впливу додаткової енергії на ріжучу поверхню. Це у багатьох випадках дозволяє досягти необхідного рівня рі-жучої здатності кругів з НТМ, особливо для умов обробки таких важкооброблю-ваних інструментальних матеріалів, як кераміка, та забезпечити сприйнятну якість оброблюваної поверхні. Стри-муючим фактором розширення областей засто-сування вказаних рішень є не-обхідність застосування спеціального обладнан-ня або модернізації універ-сального, вирішення додаткових проблем екологіч-ності процесу обробки та утилізації технологічних рідин (ТР), що дещо гальмує їх впровадження.

На наш погляд перспективним є інший напрямок – розробка засобів зміни характеристик робочого шару кругу у коловому напрямку, коли безпосеред-ньо у процесі обробки забезпечується постійне відновлення ріжу-чої здатності кругу відносно відповідних умов обробки інструментальних ма-теріалів. У зв’язку з цим, пошук та розробка нових конструкцій спеціальних кругів з НТМ, що поєднують високу ефективність роботи надтвердих матеріа-лів та спрямова-ну зміну характеристик робочого шару безпосередньо у зоні різання, саме і повинні надати якісного стрибка у суттєвому поліпшенні зносостійкості кру-гів при продуктивній та якісній обробці важкооброб-люваних інструменталь-них матеріалів, що є сучасною та актуальною задачею. Вирішенню її і присвячене виконане дослідження.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисер-таційна робота виконувалася у вiдповiдностi з планами науково-дослiдних робiт IНМ НАН України (теми 1044, 1834, 1847, 1952, 1953, 1955) з проблем 9.16.44. «Фізико-хімія та механіка контактної взаємодії НТМ з металами та неметалами при різ-ному енергетичному впливі», 1.11.6 «Проблеми технології машинобудування», 2.24.2 «Розробка наукових основ створення композицій-них матеріалів», ДНТП 05.43 «Ресурсозберігаючі технології механіч-ної обро-бки і засобів з’єднання матеріалів», 04.04 «Високоефективні технології скла-дального виробництва» (проекти 5.43.07/05-92 та 04.04.03/004к-95).

Мета і задачі дослідження полягали у підвищенні ефективності проце-су шліфування інструментальних матеріалів збіль-шенням зносостійкості кругів з НТМ та якості оброблю-ваної поверхні за рахунок розробки та ство-рення конструкцій спеціальних кругів, що поєднують ефективність роботи надтвердих матеріалів та спрямовану зміну характеристик робочого шару кругів безпосередньо у зоні різання.

Досягнення цієї мети визначало вирішення наступних задач :

§ встановити особливості напруженого стану системи “зерно-зв’язка” стосов-но кругів з НТМ та його зв’язок із показниками процесу обробки;

§ визначити зв’язок між формозмінами ріжучої поверхні круга у коловому напрямку у процесі обробки та твердістю робочого шару;

§ дослідити особливості працездатності кругів з НТМ із спрямованою зміною характеристик робочого шару, що чергуються вздовж колового напрямку;

§ визначити вплив технологічних рідин на ріжучу поверхню кругів із різними характеристиками робочого шару;

§ провести дослідно-промислову перевірку ефективності розробок та розробити рекомендації щодо їх практичного застосування.

Об’єктом дослідження у цій роботі є процеси високопродуктивного шліфування інструментальних матеріалів та шліфувальні інструменти з надтвердих матеріалів.

Предмет досліджень – підвищення ефективності про-цесів шліфування інструментальних матеріалів за рахунок забезпечення умов спрямованої зміни характеристик робочого шару кругів з НТМ розробкою нової конструкції робочого шару круга.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базувалися на основних положеннях теорії шліфування, теорії пружності, статистичних ме-тодів оцінки результатів дослі-джень, достатньо великим обсягом експеримен-тальних досліджень. Експери-ментальні дослідження процесу шліфування інструментальних матеріалів, характеристик ріжучої поверхні кругу та якості оброблюваної поверхні здійс-нювалося із залученням методів профілометрії, оптичної та елект-ронної мікроскопії, рентгенографії, металографії, потенціометрії.

Наукова новизна :

1. Виявлено, що при стандартних умовах пресування та спікання кругів з НТМ на металевих та полімерних зв’язках, за наявності жорстких бокових обме-жень, обумовлених пресформою, в структурі їх робочого шару відбувається структурна орієнтація в напрямку дії дотичних напружень, які визначають орієнтування зерен в напрямку кутів 45 та 135о по відношенню до ріжучої поверхні, і розрахунками доведено, що у цьому випадку для забезпечення найменшого значення різниці максимальних напружень в зв’язці в місці її контакту з зерном необхідно не зменшувати, як це виходить з традиційного уявлення про відсутність такої орієнтації, а підвищувати в процесі шліфування величину коефіцієнта абразивного різан-ня.

2. Показано, що при застосуванні шліфувального інструменту із секторним робочим ша-ром, коли основний ріжучий шар повинен бути зносо-стійким, а вставки мати підвищену ріжучу здатність, то останні для забезпечення постійного відновлення ріжучої здатності круга повинні мати таку характеристи-ку, яка би в процесі шліфування забезпечува-ла коефіцієнт абразивно-го різання менший, аніж у основного шару.

3. Висунута та підтверджена гіпотеза про можливість зміни градієнту вмісту зв’язуючого у поверхневому шарі металевих композитів за рахунок термообробки та встановлені умови, які дозволяють спрямовано підвищувати твердість відповідного, наприклад основного, робочого шару спеціальних кругів.

4. Вперше досліджені експлуатаційні характеристики кругів з НТМ на металевих зв’язках із секторним ріжучим шаром, який має спрямовану зміну характеристик у зоні різання, та показано, що в цілому, сумарний ефект, який полягає у застосуванні зни-женої зернистості шліфпорошків НТМ вставних секторів від 125/100 до 80/63 (63/50) та збільшенні твердості основного шару від 92–96 до 102–110 HRB, дозво-ляє у порівнянні із стандартними кругами майже в 3 рази підвищити зносостій-кість секторних кругів та більше ніж в 2 рази зменшити ефективну потужність шліфу-вання.

Практичне значення роботи :

- вперше розроблені 4 конструкції кругів з НТМ із секторним робочим шаром, які поєднують ефективність роботи надтвердих матеріалів та спрямовану зміну характеристик робочого шару безпосередньо у зоні різання;

- розроблена технічна документація на виготовлення нових конструкцій шліфувальних кругів з НТМ із секторним ріжучим шаром;

- запропоновано три нові склади технологічних рідин для шліфування твердих сплавів, швидкорізальних сталей та інструментальних керамік з урахуванням особливостей робочого шару секторних кругів;

- розроблені рекомендації по процесам шліфування інструментальних матеріалів секторними кругами з НТМ, проведена дослідно-промислова перевірка та впровадження розробок у ВАТ „Азовмаш” та НВФ „Карма”.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі наведені резуль-тати досліджень, які були виконані автором або при безпосередній його участі. Розробка методик досліджень, аналіз і узагальнення одержаних результатів, формулю-вання основних узагальнюючих положень роботи виконані автором особисто.

З наукових результатів особистим внеском автора є:

ь

ь

ь

ь

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних та українських конференціях і семінарах: “Оптимизация процес-сов алмазно-абразивной обработки” (г. Волгоград, 1986 р.), VI krajowa konfe«Teorie i technice obrobki materialow” (Krakow, 1990 р.), “Прогрессивная техника и технологии машиностроения” (м. Донецьк, 1995 р.), “Материалы, технология и инструмент: II конференция «Номатех-96»” (г. Минск, 1996 р.), “Композицион-ные материалы в промышленности” (м. Київ, 1999 р.), “Ком-позицион-ные матери-алы в промышленности «Славполиком»” (м. Ялта, 2001, 2002 р.р.), “Процессы аб-разивной обработки, абразивные инструменты и материалы «Шлифабразив-2001»” (г. Волжский, 2001 р.), “Машинобудування та металообробка - 2003” (м. Кіровоград, 2003 р.), “Эффективность реализа-ции научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных ус-ловиях” (м. Славське, 2005, р.), “Физические и компьютерные технологии” (м. Харків, 2005 р.), “Машиностроение и техносфера ХХІ века” (м. Донецьк-Севастополь, 2006, 2007 р.), “Високі технології в машинобудуванні” (м. Харків-Алушта, 2002, 2006, 2007 р.р.), “Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ремонта в промыш-ленности и на транспорте” (м. Свалява, 2007, 2008 р.р.).

Публікації. За темою дисертації надруковано 22 праці, серед яких 1 брошура та 10 статей, що надруковані у виданнях, які входять до Переліків фахових видань ВАК України. Розробки захищені 7-ма авторськими свідоцт-вами на винахід, патентом України та свідоцтвом на промисловий зразок.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, переліку літератури з 136 найменувань і додатків. Вона викладена на 169 сторінках основного тексту з 36 рисунками та 27 таблицями. Загальний об’єм роботи складає 189 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність, викладено загальну характеристи-ку роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні науко-ві результати, практичне значення, апробацію роботи та кількість публікацій.

В першому розділі виконано аналіз особливостей шліфування сучас-них інст-рументальних матеріалів, шляхів підвищення ефективності їх обро-бки з урахуванням конструкцій ріжучого шару кругів з НТМ, визначені нап-рямки дослід-жень спрямовані на підвищення ефективності роботи кругів. По-каза-но, що у пошуку шляхів досягнення задовільної шліфуємості інструмен-таль-них мате-рiалiв багато уваги присвячено дослід-женню про-цесів алмазно-абразивної обробки, у т.ч. з введенням додаткової енергії та використанням спецкругів, а саме в роботах Беззубенка М.К., Внукова Ю.М., Грабченка А.I., Доброс-кока В.Л., Залоги В.О., Захаренка І.П., Лавріненка В.І., Матюхи П.Г., Мішнаєвського Л.Л., Новiкова Ф.В., Савченка Ю.Я., Узуняна М.Д., Шепелєва А.О., Федорови-ча В.О., Якiмова О.В. та iн. Встановлено, що у багатьох випадках висо-копро-дуктивного знімання матерiалу при підвищенні продук-тивності об-робки спостерігається збі-ль-шення як інтенсивності зносу кругів, так і шорсткості обробленої поверхні. Аналіз основних тенденцій по визначенню шляхів підвищення ефектив-ності процесів обробки матеріалів з врахуванням такого явища, дозво-лив виз-начити два пріори-тетні напрями досліджень, спрямовані на форму-вання для певних, визначених умов обробки, відповідної ха-рактеристики робочого шару кругів з НТМ. Перший – пов’язаний з підбором характерис-тик (мі-цності, зернистості, концентрації) зерен НТМ та фізико-механічних властивостей зв’язу-ючого алмазно-абразивного компози-ту, а також відпо-відного впливу ТР на цей композит у процесі обробки з ме-тою підвищення ек-сплуатаційних властивостей кругів. Другий – передбачає розробку нових конструк-цій шліфувальних кругів із різними комбіна-ціями чергування робочих шарів, що, у поєднанні з першим напрямом, забез-печило би покращення їх експлуатаційних показників у процесі шліфування.

З літератури відомі деякі приклади шаруватих кругів, але створен-ня їх із спрямованою зміною шарів у коловому напря-мку, коли безпосеред-ньо у про-цесі об-робки відбувається спрямоване поновлення ріжучої здатності кру-га, не прово-дилося. Пов’язано це з тим, що при роз-робках конструкцій таких кру-гів необхідно враховувати характеристику секторного робочого шару, геомет-рич-ні співвідношення довжин секторів, особ-ливості використання ТР для таких кругів. Деякі дослiджен-ня по розробцi секторних кругів є відомими, але вiдсутня база для створення наукового пiдходу у цьому напрямку.

У другому розділі наведена низка досліджуваних матеріалів та методів обробки експериментів, наведено методики вимірювання параметрів процесу шліфування та виготов-лення шаруватих кругів, апаратура та технічні засоби.

Для вирішення завдань роботи використовувалися відо-мі та спеціально розроблені методики досліджень. Дослідження провадилися на універсально-му обладнанні з додатковою модернізацією для вивчен-ня впли-ву електрично-го струму на процес обробки за умов торцевого шліфу-вання, найбільш харак-терного для обробки поверхонь інструменту. Дослідження проводили на швид-коріжучих сталях (Р6М5, Р6М5Ф3 та ін.), безволь-фрамових (ТН20) та вольф-рамових (ВК8, ВК10ХОМ, ТТ20К9 та ін.) твердих сплавах, інструмент-тальних кераміках (ВО13, ВОК71 та ін.). У якості кругів з НТМ застосовували стандартні та розроблені спеціальні круги форм 6А2, 12А2-45О, 12А2-20О.

При дос-лідженні експлуатаційних показників кругів враховували: віднос-ні витрати НТМ qp, мг/г; ріжучу здатність кругу Q, мм3/хв.; ефективну поту-жність шліфування Nеф, кВт; коефіцієнт абразивного різання f. Шорст-кість повер-хонь вимірювалась на профілометрі-профілографі моделі 252 тип А1. Для вирішення за-дач з напружено-деформованого стану в систе-мі “зерно-зв’язка” використовувалася стандартна процедура методу кінцевих елементів, у якій вирішувалася система рівнянь рівноваги, співвідношення Коші та зако-ну Гука із використанням програмного комплексу “Термопружність”. Струк-ту-ру абразивних інструментальних композитів досліджували за допомогою електронних мікроскопів-мікроаналізаторів «CamScan-4DV» та BS-340.

Третій розділ містить результати досліджень по обгрунтуванню умов забезпечення підвищеної ефектив-ності обробки, спрямова-них на фор-мування відповідної ха-рактеристики робочого шару кру-гів, його фізико-механічних властивостей із врахуван-ням формозмін при обробці та досягнення спрямо-ваної зміни хара-ктеристик робочого шару безпосередньо у зоні різання.

Відомо, наприклад з робіт д.т.н. Матюхи П.Г., що ріжуча здатність кру-гів з НТМ при високопродуктивній обробці з часом знижується і круг вимагає відновлення цієї здатності для забезпечення продуктивної і якісної обробки. У значній мірі це пов’язане із формозмінами ріжучої поверхні круга, коли її реальна площа, що є відповідальною за знімання матеріалу, знижує-ться. Пе-реважно дослідники нехтують формозмінами ріжучої поверхні круга у коло-вому напрямку, а між тим, така формозміна існує і є істотною, бо реаль-на пло-ща ріжучої поверхні, відповідальна за знімання матеріалу, складає за оцін-ка-ми різних дослідників лише від 40 до 55%. З досліджень д.т.н. Лавріненка В.І. відомо, що в коловому напрямку в процесі обробки ріжуча поверхня набуває хвилеподібної формо-зміни, яка в розгорт-ці має вигляд двох рі-жучих нахи-лів – головного (ГРН) та допоміжного (ДРН) (рис. 1). Ним пока-зано, що наведе-не є природ-нім процесом роз-ташовування ріжучих зе-рен на поверхні кругу для знят-тя матеріа-лу і поступового зміщення у процесі обробки верши-ни хвилеподіб-ної формозмі-ни від т.М0 до т.М2. Після досяг-нення ма-ксимального положення – т.М2 навантажен-ня на зерна досягають крити-чного значення і відбуваєть-ся спонтанний процес вскриття ріжучої повер-хні круга, що приводить до підвище-ння зносу і по-вернення форми ріжучої поверхні у положення KM0К. Надалі відбуваєть-ся знову поступове припрацю-вання ГРН від положення КМ0 до КМ2 і циклічне повторення процесу відновлення ріжучої здатності.

З наведеного вище, в дисертаційній роботі зроблено два висновки : по-перше, для забезпечення участі у процесі обробки найбільшої ріжучої площі, а відтак підвищення зносостійкости круга, необхідно прагнути до утримання форми ріжучої по-верхні у положенні, близькому до KM2К, а по-друге, хоча зворотнє зміщення вершини форми з т. М2 до т. М0, яке означає відновлення ріжучої здатності є позитивним, але на реальному крузі воно зай-має до 40% поверхні, тому значна втра-та зносостійкості круга відбу-ваєть-ся саме в цей період. Таке змі-щення треба залишити, але ке-рова-но зменшити величину цього змі-щення, що істотно збільшить зно-состійкість кругу. Для виконан-ня цих вимог в роботі запропоно-вано робочий шар круга в колово-му на-прямку розбити на сек-тори (рис. 2). При цьому, визначено, що роз-мір сек-торів основного робочо-го шару не повинен перевищувати мі-німаль-ну величину ДРН, що від-по-відає положенню KM2К, для забезпечення більшої площі ГРН, а вставні сектори повинні виконувати роль забезпечення керованого відновлення ріжу-чої здатності кругу, але при цьому кутова різниця між точками повернення від М2 до М0 складе вже не традиційні 140–150 градусів, а лише максимум 30, що повинно значно збільшити зносостійкість кругу при збереженні процесу відновлення ріжучої здатності. За-безпечити таке відновлення вставними секто-рами можливо відповідною змі-ною характери-стик ріжучо-го ша-ру. Така зміна може бути у двох основних на-прямках: по-перше, без-посеред-ньою зміною хара-ктерис-ти-ки ріжу-чого шару – зв’язкою, зернистіс-тю та конце-нтраці-єю НТМ у ро-бочому шарі, покрит-тям зерен; по-дру-ге, зміною влас-ти-востей ріжучого шару - твер-дістю, електропровід-ністю, тощо.

Для гарантованого відновлення ріжучої здатності є важливим визначи-ти у якому саме напрямку необхідно змінювати вказані вище характеристики робочого шару на вставних секторах. Оскільки на них зна-чно зростають нава-нтаження в зоні контакту, то насамперед важливо визначи-ти особливості на-пруженого стану системи “зерно-зв’язка”. Вкажемо, що тра-диційно дослідни-ками вважається, що робочий шар кругів з НТМ є рівномірним та ізотропним, і приймається, що еліпсоїдні зерна розташовані в ньому переважно вертика-льно. Разом з тим, дослідженнями д.т.н. Шепелєва А.О. та д.т.н. Лавріненка В.І. показано, що насправді в робочому шарі за стандартних умов спікання та пресування формується певна структурна орієнтація. Це підтверджують і відомі з літератури дані, наприклад, д.т.н. Лаврі-ненка В.І. з нахилу зерен НТМ, яким показано, що зерна НТМ у робочому шарі за вказаних вище умов розташовуються по відношенню до ріжучої поверхні у напрямку близькому до кутів у 45 та 135О. Наведене підтвердили також і наші дослідження по визначенню кутів нахилу зерен в перерізі робочого шару круга КР 200/160–М2-12Е–100 (рис. 3). Тому, нами додатково була вивчена структурна організація робочого шару за стандартних умов його пресування та спікання.

Кут нахилу зерен, град.

Рис. 3. Приклад гістограми розподілу кутів нахилу зерен у перерізі робочого шару кругу КР 200/160 М2-12Е 100%,

перпендикулярно його ріжучій поверхні. | Рис. 4. Показники анізотропії та орієнтації робочого шару композиту на металевій зв’язці типу М2-01 у площині його розрізу вздовж вектора дії зусилля пресування (діє з правого боку рисунку) при стандартних умовах формування алмазвмісного шару.

Вирішення питань формуван-ня структурної орієнтації в робочо-му шарі розглядалося за допомогою растрової еле-ктронної мік-роскопії із зас-тосуванням системи аналізу зображень (дослідження виконувалися разом з с.н.с. ІНМ НАНУ к.ф.-м.н. Ткачом В.М.) в площині зрізу шару вздовж на-прямку дії зу-силля пресування, а оріє-нтація фік-сувалася до площини ріжучої поверхні кругу. Вста-новлено (рис. 4), що при стандарт-них умо-вах спікання кругів показ-ник оріє-нтації є близьким до кутів 45О або 135О. Наведені дані, на наш погляд, свідчать про те, що в процесі утворення алмазно-абразивних компо-зитів, в їх структурі, хоча і рівномірній, але такій, що містить елі-псоїдні зерна НТМ, в процесі пресування та спікання за наявності жорстких бокових обмежень, обумовлених пресформою, і пови-нна фор-муватися певна структур-на орієнта-ція в структурі робо-чого шару, яка і буде визна-чатися розвертанням зерен вздовж напрямку дії дотичних напружень за вказаних обмежень і логічно припустити, що вона буде близькою до кутів 45О або 135О.

Наве-дене є достатньо прин-циповим, оскіль-ки впливає на нап-ря-мок досліджень. Зерна НТМ зна-ходяться зовсім в інших ро-бочих умовах, аніж це традиційно уявляє-ться дослідниками в теоретич-них розробках, а це означає, що слід ба-зуватися на зовсім інших пріорите-тах як у процесі формування робо-чого шару кругів, так і у процесах обробки такими кругами. Насампе-ред це впли-ває на напружений стан систе-ми «зер-но-зв’язка». Для його оцінки нами ви-користаний показник перепаду напру-жень по довжині зони контакту зерна із зв’язкою - max (рис. 5) і чим меншим буде зна-чення цього перепаду, тим більш сприятливими будуть умови роботи зерен. Але, враховуючи мету нашої роботи, звернемо увагу на те, як змінюється тенденція, із зміною кута нахилу зерен, у зміні од-ного з найважливіших базових параметрів процесу

Рис. 5. Геометрична схема частини абразив-ного інструменту для розрахунку напруженого стану системи «зерно-зв’язка»

шліфуван-ня – коефіцієнта абразивного різання fa =PZ/PY. Результати розрахунків пере-паду напружень для різних кутів нахилу і коефіцієнту fa подані в табл. 1. Аналіз таблиці засвідчує, що при куті розташування зерен в 90О, який традиційно приймається дослідниками за аксіому, найменші перепади напружень мають місце при малих значеннях коефіцієнту fa от 0,05 до 0,15. Разом з тим, враховуючи викладені вище дані з орієнтації та нахилу зерен, необ-хідно орієнтува-тися на тенден-ції, що є ха-рактерними якраз для ку-та в 45О. А вони свідчать про те, що для досягнення сприят-ливого на-пру-женого стану в сис-темі «зе-рно-зв’язка» і, відтак, для підвищен-ня зносостій-кості кру-гів необхід-но прагнути в про-цесі шліфуван-ня зовсім не до знижен-ня, як це виходить з концепції кута в 90О, а до під-вищення величини fa .

На підтвердження цьо-го вивчений кореляційний зв’язок між зносом круга та коефіці-єнтом fa при шлі-фуванні з продуктивністю 450 мм3/хв. без-вольфрамового твер-дого сплаву ТН20 кругом форми 12А2-45О 150х10х3х32–АС4 100/80–В1-13-–100, який засві-д-чив, що із зро-станням коефіці-єн-ту абрази-вного різання у діапазоні від 0,05 до 0,40 знос кру-гу знижується і характер такого зниження із похибкою в 15,1% описується залежністю:

qp= 3,054 - 6,916 . fа .

Разом з тим, зменшення, за реальних умов розташування зерен НТМ у робочому шарі, величини коефіцієнта абразивного різання збільшить навантаження на зерна і зв’язку, приведе до підвищення ріжучої здатності круга і, тим самим, до активування ріжучої поверхні круга. На основі викладено-го вище, сформульовано положення про те, що при застосуванні шліфувального інструмента із вставними секторами, що чергуються, коли основний ріжучий шар повинен бути зносостійким, а вставки мати підвищену ріжучу здатність, то останні для здійснення активуючої функції повинні мати таку характеристи-ку, яка би в процесі шліфування забезпечува-ла менший коефіцієнт абразивно-го різання, аніж основний шар. Тим самим, для досягнення спрямованої активізації ріжучого шару круга і од-ночасно невт-рати в цілому зносостійкості у вставних секторах треба використо-вувати зер-нистість або концентрацію НТМ меншу, аніж у основному шарі.

У випад-ку од-накових характеристик на основному шарі та вставних секторах необхідно змінювати фізико-механічні властивості робочого шару вставок, наприк-лад, зменшувати його міцність. Але, при цьому, набуває важ-ливого значення утримання зер-на у робочому ша-рі. Відомо, що чим більшою є міц-ність зв’язки, тим кращим буде її абразивоутри-ман-ня. Тим са-мим, зрос-тає необхід-ність досяг-нення спрямовано-го впливу на фізи-ко-механічні харак-теристики ро-бочого шару для виз-начення умов підвищення працездатності кругів. Оскiльки ми реально маємо справу з алмазовміс-ними композитами, то нас у значній мірі цікавила змі-на їх властивостей в за-лежностi вiд їх характе-ри-стики. Встановлено, що границя мiц-ностi на роз-тяг для металевих зв’язок має вигляд кореляційної залежності Rm=(Rmзв - 0,15К)kn, а для металополіме-рних - Rm=(Rmзв - 5,310-2К)kn і із зростанням кон-центрацiї (К, у діапазоні від 50 до 150%) алмазiв в робочому шарі мiцність на розтяг спадає. Виявлено, що при цьому покриття алмазiв (Н1Д-25 - kп=0,85, склом - kп=0,6 , МА - kп=0,83) також змен-шує мiцність композитів. Встановлено, що і границя мiцностi на згин із зрос-танням відносної концентрацiї алмазів в робочому шарі, а також їх зернистості – зменшується. Для ре-альних інструмен-тів легше контролювати твер-дість робочого ша-ру. Відомо, що зміною твердос-ті мож-ливо покращити умови використан-ня зе-рен НТМ. Між тим, за умов формозміни ріжу-чої пове-рхні круга в процесі шліфуван-ня та можливої нерів-номірності її твердості на різ-них ділянках, пев-не значення має виявлення зв’язку такої формозміни з особливостями зміни її твердо-сті. Нами встановлено для кругів, які мають не-рівномірну твердість робочого шару вздовж колового напрямку, що перемі-щення вершини форми робочої поверхні (див. рис. 1) круга в процесі шліфу-вання має додаткову нерівномірність і ті зони на крузі, які визначаються меншою твердістю, мають більшу кількість припадань положень точки К або М в процесі хвильового фор-мозмінення робочої поверхні. Наведене здавалося б свідчить про те, що бажано прагнути досягнення найкращої рівномірності в структурі робочого шару круга, але нами висувається інше положення, а саме про внесення спрямованої неоднорідності у властивості робочого шару круга, що і дозволило би досягти спрямованої активізації його ріжучої поверхні.

Таким чином, для досягнення ефекту спрямованого відновлення ріжучої здатності круга у вставних секторах треба використо-вувати зер-нистість та концентрацію НТМ меншу, аніж у основному шарі. Іншим варіантом такої активізації є спрямована неоднорідність у твердості робочого шару основних та вставних секторів і при цьому твердість основного робочого шару повинна бути вищою аніж на вставних секторах. Перевірці обгрунтованості висунутих вище гіпотез присвячений наступний розділ.

В четвертому розділі наведені результати досліджень по визначенню експлуатаційних показників спеціаль-них шліфувальних кругів з ріжучим шаром, сектори якого чергуються у коловому напрямку.

На основі досліджень та висновків розділу 3 була виготовлена низка спеціальних алмазних кругів із секторним ріжучим шаром з різ-ними характе-ристиками (зернистістю від 63/50 до 200/160, концентрацією від 50 до 150%, алмазами марок від АС4 до АС20, на металевих МО20-2, М1-10 та метало-полімерних В1-13 зв’язках) та визначені їх експлуатацій-ні пока-зники при шліфуванні твердого сплаву Т15К6. Проведені дослідження дозво-лили отри-мати результати, які підтвердили гіпотезу з розділу 3, що для досягнення умов активованого впливу на ріжучу поверхню та підви-щення зносостій-кості кругу в цілому, кра-щими є ті характеристики вставних секторів, які би забез-печували менші показники коефіцієнту абразивного рі-зання при шліфуванні, ніж характеристики основного робочого шару, а саме, зменшену зернистість – 63/50 або 80/63 (рис. 6), або відносну концентра-цію алмазів у робочому шарі – 50% (рис. 7), ніж у основному робочому шарі, який мав зернистість 125/100 та концентрацію 100%. При цьому, підвищується зносостійкість спеціальних кругів до 2,5 раз у порівнянні із стандатними, які мали характеристику, що відповідала основному робочому шару і наступні експлуатаційні показники (qp=1,42 мг/г, Nеф=0,95 кВт, Ra=0,25 мкм), та знижується ефективна потужність при шліфуванні у 1,5 рази, що свідчить про покращення ріжучої здатності спеціальних кругів.

Рис. 7. Вплив зернистості алмазів у вставних секторах на експлуатаційні показники секторних кругів (характеристика основного шару – АС6 /100–МО20-2–100) | Рис. 8. Вплив відносної концентрації алмазів у вставних секторах на експлуатаційні показники секторних кругів (характеристика основного шару – АС6 /100–МО20-2–100)

Разом з тим, проведені дослідження дозволили виявити для металевих зв’язок ще два цікавих моменти. Ана-ліз от-риманих результатів для кру-гів, спечених при різних темпера-ту-рах, засвід-чив, що в їх структурі існує ефект відчутного перерозпо-ділу Sn -між утвореними фазовими складовими і ближче до поверхні його вміст підвищу-ється, що дає можливість в при-нципі реалізувати меха-нізм термо-пружно-сті для каркас-них сис-тем із відносно легко-плав-кою складо-вою, у вигляді ефекту зміни граді-єнту вмісту пластичної фа-зи, яка, при цьому, ви-тискується, по-пер-ше, у пори металевого компо-зиту, за-повнюючи їх, що приво-дить до підвищення його твер-до-сті, а, по-друге, у по-верхне-ві шари, що ми спос-терігаємо по підвищенню вмі-сту Sn у поверх-невій зоні. Для то-го, щоб спрацював цей механізм, необхідна поява плас-тичної фази, а зробити це можливо за раху-нок термообробки. Оскільки реально зв’яз-ка складаєть-ся не з олова та міді, а з певно-го їх сполучення, то як тільки темпе-ратура термооброб-ки перевищить половину темпера-тури плавління цієї фази, спра-цьовує механізм термопружності і пластична фаза ви-тискується у незай-няті об’єми або на пове-рхню. Відомо, що од-нією з основних скла-дових у структурі зв’язки є -фаза (темпе-ратура пла-влення від 360 до 410ОС), то мож-ливо очіку-вати з 180ОС, коли з’являється пластична фаза, проявів ефекту під-вищен-ня твердості та зростання зносостій-кос-ті кругів, що ми і спостерігаємо при дослідженні зносу кругів за різних умов термообробки (рис. 9). При цьому, для температури у 180ОС спостері-гається значне зростання твердості – від 92–96 HRB до 102–110 HRB та май-же вдвічі зменшується знос кругу. На-ведене дозволяє реалізувати висловлене у розділі 3 припущення про можли-вість активізації ріжучої поверхні круга зміною твердості секторів, але не за рахунок зменшення твердості вставних секторів, а навпаки, за раху-нок підви-щення твердості основних сек-торів. В розроблених кругах це може бути реа-лізоване технологічними особ-ливостями виготовлення таких кругів, адже першим піддається впливу ос-новний робо-чий шар і при наступному спі-канні вставок він піддається додатковому впли-ву (термообробці), а відтак твердість основного робочого шару у розроб-лених кругах завжди буде вищою за встав-ні сектори, що є додат-ковим фактором забезпечення не-обхідного нам ефекту активування ріжучої поверх-ні круга. Як наслідок, на-рівні із вка-заними вище характеристиками вставних секторів (див. рис. 6 та 7), гарними також є по-казни-ки, коли характеристика сек-торів і основ-ного шару співпадає, або мало відрізняється (табл. 2). А в цілому, сумарний ефект (застосування зни-женої зернистості вставок – 63/50) та збільшення твердості основного шару дозво-ляє у порівнянні із стандартними майже в 3 рази підвищити зносостій-кість кругів та більше ніж в 2 рази зменшити ефективну потужність шліфу-вання, що свідчить про покращення ріжучої здатності спеціальних кругів.

Таблиця 2. Експлуатаційні показники кругів з чергуючимся ріжучим шаром

Характеристика кругу

12А2-45 150х10х3х32 | Показники шліфування

Відносні вит-рати алмазів,

мг/г | Ефективна

потужність,

кВт | Шорст-кість,

Ra, мкм

Стандартний круг АС6 125/100 - МО20-2 - 100% | 1,42±0,12 | 0,95±0,05 | 0,25±0,02

Спеціальні круги із основним робочим шаром АС6 125/100 - МО20-2 - 100% та вставними секторами :

АС6 125/100 –МО20-2–100

АС6М 125/100 –МО20-2–100

АС4 125/100 –МО20-2–100

АС6 63/50 –МО20-2–100

АС6 125/100 –МО20-2 –50 |

0,45±0,04

0,76±0,07

0,62±0,05

0,46±0,05

0,55±0,04 |

0,85±0,05

0,62±0,05

0,87±0,10

0,40±0,05

0,90±0,10 |

0,24±0,03

0,25±0,02

0,30±0,04

0,19±0,02

0,29±0,04

Виявлений вище ефект є також цікавим з точки зору отриман-ня міцного поєднання шарів, ад-же перехідна зона між ними є найбільш проблемною. Ви-вчені також технологічні умови формування шаруватого робочого шару при використанні різних зв’язуючих. Внаслідок досліджень встановлено, що перехідна зона між шарами, що чергуються, з боку того шару, що був спе-чений першим і піддавався додатковому температурному впливові є більш на-сиченою оловом (зростає з 15,7 мас.% до 22,4%), що є позитивним, покращує з’єднання шарів чим підтверджує висловлені нами вище положення.

В п’ятому розділі наведені результати досліджень по визначенню впливу зміни електрофізичних характеристик секторів та активізації техноло-гічних рідин, пов’язаної із підвищеною електрохімічною гетерогенністю робочої по-верхні секторних кругів, на їх ріжучу здатність та зносостійкість.

В процесі обробки на вставні сектори лягає найбільше нава-нтаження і та час-ти-на сектора, яка першою вхо-дить у зону об-робки містить більшу кіль-кість Cu та Sn, і мен-шу – наповнюва-ча (Al), який «вимивається» шламом. В свою чергу, матеріал, що під-дається обробці, у більшій мірі нако-пичує-ться ближче до кінцевої части-ни сектора. Так, при шліфу-ванні сталі загальний вміст її елементів (Fe, Ni, Mn) хвилеподібно зростає від початку до кінця сегмента (10,711,420,417,3 мас.%) при зви-чайному вмісті його після шліфування на поверхні стандартного круга - 12,4 мас.%. Це означає, що на кожній вставці починають фор-муватися свої хвильові процеси, як реак-ція на наван-таження, і відбувається своєрідна активізація ріжучої повер-хні, що є додатковим фактором поновлення ріжучої здатності робочої поверхні круга.

Звернена увага на можливості, пов’язані з використанням ефек-ту чергу-вання вставок з рі-зними властивостями. При електро-шлiфуваннi, за рахунок чергування шарiв із рiзним електро-опором, це дає можливість накладати на процес з постійним струмом ще й iмпульснi складові його коли-вання. Тим самим, ми може-мо змінювати характер процесу. На-приклад, при од-наковій зі стандарт-ними круга-ми потужності шліфування (1,4 кВт), секторні круги з ша-рами, що чергуються у коловому напрямку, доз-воляють підвищити продуктивність шліфування сталі Р6М5Ф3 з 1200 до 1800 мм3/хв. Це дозволило досягти, у порівнянні з традиційними кругами, пiд-вищення продуктивності в 1,5 рази при однако-вому зносi, або знизити витра-ти КНБ у 1,3 рази при однаковій, із серійними, продуктивності шліфування.

Вкажемо, що така спрямована зміна електрофі-зичних характе-ристик на-дає можливість нового підходу до вибору ТР для проце-сів шліфу-вання таки-ми кругами, як до нетрадиційного засобу неявної поляризації при шліфуванні. Визначені сполуки, які бажано вводити до ТР для досягнення цього. Так, вия-влено, що наявність у ТР солей (NH4)2SO4 та Аl(OH)3 сприя-ла пiд-ви-щенню iн-тенсивностi зйому при невисоких витратах НТМ. При цьо-му, перша має висо-ку стандартну мольну теплоєм-нiсть, що сприяє зниженню теп-лонапру-женостi процесу шліфування, а друга забезпечує у розчині вибіркове концентрування навкруги частинок гідроксиду алюмінію позитивно зарядже-них іонів, якi за рахунок елект-ро-статичного притя-гування вкривають поверх-ню зерен НТМ та зв’яз-ки і зменшують прилипан-ня проду-ктiв шлiфу-вання. Така поля-ризація рі-дини є важливим чинни-ком впливу на поверхні у зоні кон-такту. Для реаліза-ції цього за-пропоновано викорис-товувати метод поляризації рідини на анодну (насичену ОН–-іонами) та катод-ну (наси-чену Н+-іонами) воду. Так, встановле-но, що при шліфуванні керамі-ки засто-суван-ня анодної води дозволяє зни-зити знос кругiв майже у 2 рази у порiвняннi iз звичайною неактивова-ною во-дою. В певній мірі це може бути пов’язане з дією ефекту електрохімічної гетеро-генності пове-рхні зв’язки, який заслуговує на увагу як-раз для кругів на зв’яз-ках, які мають мідну мат-рицю та включення, що відрізня-ються своїми фізико-хімічними властивостям від неї. Це при-водить до появи корозійних мікроеле-ментів та посиленню електрохімічної ге-терогенності повер-хні зв’язки. Як на-слідок, формуються умови виникнення на поверхні зв’язки плівок, близьких до катодних, які мають позитивне зна-чення для зниження коефіцієн-ту тертя. Для підтвердження цього досліджено 4 варiанти поведiнки матерiа-лів зв’язок iз утворенням ло-кальної безструмової комiрки, у якої “ка-тодом” є по-верхня круга, а “анодом” – оброблюваний матерiал. Експерименти провадили-ся на зв’язцi з основою Cu-Al-Zn у середовищах з рiзним рН. Встановлено, що iз зростанням рН розчину вмiст Al та Zn на поверхнi робочого шару зни-жується, а Cu, вiдповiд-но, зростає. Так, вміст Al (22,4 мас.%) на пове-рх-ні робочого шару зменшується на 4,3%, майже як і у електро-хiмiчнiй комiрцi (5,7 %), що дозволяє формувати на поверхнi круга плiвки, близькi до катодних.

В цiлому, з урахуванням технологiчних, антикорозiйних та екологiчних умов запропоновані склади ТР (у мас. %) на основі води для процесів шліфування : твердих сплавів: - натрій азот-нокислий (1,0) та азо-тистокислий (0,2), амоній сірковокислий (0,1); інструментальних сталей: натрій азот-нокислий (2,0) та азо-тистокислий (0,2), гідроксид алюмінію (0,2); кераміки - натрій азотисто-кислий (0,2), амоній сірковокислий (0,1) та активована анодна вода (99,7).

В шостому розділі наведені результати лабораторних та виробничих випробувань процесів шліфування інструментальних матеріалів спеціальними кругами з НТМ та надані рекомендації з їх ефективного застосування.

Розроблено про-цес продуктивної (Q600 мм3/хв.) безприпальної оброб-ки інструменту з швидкорізальних сталей спеціальними кругами з КНБ, що сприяє ви-никненню у поверхневому шарі залишкових напружень стис-ку, які досягають 1600 МПа, що підвищує стійкість ріжучого інструменту, підтверд-жену випробування-ми у виробничих умовах. Так, зато-чування кругами з КНБ фрез з сталі Р12Ф3К10М3 по заднім поверхням зубів дозволяє за рахунок під-вищення якості обробки підвищити стійкість фрез у 1,3 – 2,3 рази.

У виробничих умовах Іркутського авіаційного заводу (Росія) в рамках договору № 2612 на верстаті з ЧПУ мод. 6М13ГН-1, проведені випробування працездатності спеціальних алмазних кругів при шліфу-ванні кінцевих фрез із твердого сплаву Т15К6. В резуль-таті ви-пробувань отримана шорсткість пове-рхні по параметру Rа=0,32 мкм і досягається переви-щення стійкості розроб-лених алмазних кругів у порівнянні з серійними на зв’язці М1-01 у 4 рази.

Дослідно-виробнича перевірка та впровадження результатів провадило-ся також в НВФ „Карма” (м. Світловодськ) та у виробничих умовах ВАТ «Азов-маш», де впроваджені техно-логії заточки та доводки ріжучого інстру-менту з твердих сплавів та швидкорізальних сталей кругами з НТМ із вдоско-наленим робочим шаром, що дозволило підвищити стійкість доведеного інструменту в 1,5–1,7 рази. Загальна річна економія склала 265 751 грн.

Розробки з викладеного вище напрямку захищені а.с. № 1366332, 1437169, 1504020, 1567173, 1708592, 1726173, 1781022, сві-доцтвом на проми-словий зразок № 33332, Патентом України № 19438. Розроблена технічна документація та виготов-лене оснащення на