CC BY
22
УДК 621.923.02 DOI: 10.18698/0536-1044-2018-9-10-17
Шероховатость поверхности твердосплавных пуансонов при шлифовании алмазными кругами, изготовленными по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия
М.А. Шавва1, С.В. Грубый2
1 ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», 107023, Москва, Российская Федерация, Большая Семеновская ул., д. 49
2 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
The Surface Roughness of Carbide Punches when Grinding by Diamond Wheels Manufactured Using the Multi-Layer Composite Electrolytic Coating Technology
M.A. Shavva1, S.V. Grubiy2
1 Russian Research and Development Tooling Institute VNIIINSTRUMENT, 107023, Moscow, Russian Federation, Bolshaya Semenovskaya St., Bldg. 49
2 BMSTU, 105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1
e-mail: katapu@mail.ru; grusv@yandex.ru
Приведена методика расчета шероховатости поверхности в направлении скорости вращения заготовки и поперечной подачи круга при алмазном шлифовании твердосплавных пуансонов кругами с многослойным композиционным электролитическим покрытием. Рассмотрены зависимости продольной и поперечной составляющих шероховатости поверхности от режимов резания: частоты вращения шлифовального круга, частоты вращения заготовки, глубины резания и поперечной подачи круга. Предложена методика определения режимов резания, обеспечивающая уменьшение составляющих шероховатости в продольном и поперечном направлениях. Установлены и экспериментально проверены режимы резания при алмазном шлифовании твердосплавного пуансона. Подтверждены параметры шероховатости поверхности Rmax = 0,12 мкм и Ra = 0,03 мкм.
Ключевые слова: алмазное шлифование, шероховатость поверхности, алмазные круги, композиционное электролитическое покрытие
This paper presents a method for calculating the surface roughness in the direction of the workpiece rotation and the grinding wheel cross-feed when grinding carbide punches by diamond wheels with a multi-layer composite electrolytic coating. Relationships between the longitudinal and transverse components of the surface roughness and the cutting conditions are considered: grinding wheel rotational speed, workpiece rotational speed, cutting depth, and cross-feed of the wheel. A method is proposed for determining the cutting modes that provide a reduction in roughness in the longitudinal and transverse directions. Cutting conditions for diamond grinding of a carbide punch are defined and experimentally tested. The surface roughness parameters Rmax = 0.12 mkm and Ra = 0.03 mkm are confirmed.
Keywords: diamond grinding, surface roughness, diamond wheel, composite electrolytic coating
В современном производстве изделий машино-и приборостроения актуальной задачей является изготовление пресс-форм из твердых сплавов с применением операции прецизионного шлифования. Твердосплавные пресс-формы используют, например, для выполнения оптических элементов: линз [1], линз Френеля [2, 3], офтальмологических изделий и др.
Поверхности пресс-форм, которые необходимо обрабатывать с шероховатостью 12-го класса и выше (ГОСТ 2789-73, параметры шероховатости: Яг < 0,2 мкм, Яшах < 0,2 мкм и Яа < 0,04 мкм) и прецизионной точностью, имеют сложную форму [3], что значительно снижает производительность обработки при применении традиционной технологии, предусматривающей предварительное, окончательное шлифование и финишное полирование [1].
Для повышения производительности и качества обработки предложено использовать шлифовальные круги (ШК), на рабочую поверхность которых нанесен алмазоносный слой, выполненный по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия [4-7]. При изготовлении ШК на основу из нержавеющей стали последовательно наносят: адгезионный активированный слой; сплав, обеспечивающий гашение силового воздействия; инертный сплав для заращивания монокристаллов; активированный слой; защитный высокотвердый сплав и слой монокристаллов алмазов [4].
Технология изготовления ШК позволяет получать следующие характеристики: равномерное распределение зерен с концентрацией до 400 %; вылет зерен из связки на половину среднего размера; погрешность формы режущей поверхности ШК, соответствующую таковой для основы. Благодаря этим характеристикам погрешность формы обработанной поверхности будет зависеть только от кинематической погрешности станка. Поэтому для получения шероховатости поверхности пресс-форм не ниже 13-го класса и погрешности формы обрабатываемой поверхности не более 5 мкм рассматриваемые алмазные ШК необходимо применять на сверхточных станках [8].
При обработке твердосплавных пуансонов на сверхточных станках алмазными кругами, выполненными по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия, основной задачей является выбор режимов и условий резания, обеспечивающих за-
данную шероховатость обработанной поверхности [9, 10].
Цель работы — выявление теоретических зависимостей для расчета шероховатости поверхности при обработке твердосплавных пуансонов алмазными кругами и разработка методики подбора режимов резания для обеспечения требуемого качества поверхности.
Обработка поверхности твердосплавного пуансона. Твердосплавный пуансон представляет собой деталь цилиндрической формы, на торце которой находится осевой параболоид. Торцевая поверхность и поверхность параболоида отвечают за формирование поверхности детали, получаемой при штамповке. В связи с этим торцевая и параболическая поверхности должны соответствовать высоким требованиям, предъявляемым к их шероховатости и погрешности формы. Погрешность формы детали состоит из погрешности формы параболической поверхности с отклонением от профиля не более 5 мкм, погрешности формы торцевой поверхности с отклонением от плоскостности и осевым биением относительно оси вращения не более 2 мкм.
^поп
Рис. 1. Схема обработки поверхности пуансона кругом, выполненным по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия
Технологическая схема финишной обработки пуансонов из твердого сплава марки ВК8 кругами, выполненными по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия, показана на рис. 1.
Торцевая и параболическая поверхности пуансона обрабатываются радиусной частью ШК. На рис. 1 обозначены следующие параметры: т и П2 — частоты вращения ШК и заготовки, мин1; 5поп — поперечная подача ШК, мм/мин. Для обеспечения заданной формы обрабатываемой поверхности ШК наклонен на угол а = 50°.
Расчет шероховатости обработанной поверхности. Расчет шероховатости поверхности выполнен в направлении скорости вращения заготовки и поперечной подачи ШК, т. е. в продольном и поперечном направлениях.
Схема расчета шероховатости поверхности в продольном направлении приведена на рис. 2. На схеме обозначены следующие точки и параметры: 01 — центр ШК; 03 — центр заготовки; О2 — центр ШК при повороте заготовки на угол Р = 2ят2/п1; В — точка пересечения окружности ШК и окружности заготовки в начальный момент взаимодействия; С — точка пересечения окружности ШК при повороте на угол Р и продолжения отрезка О1В, отрезок ВС составляет толщину срезаемого слоя за один оборот ШК В — точка пересечения окружностей ШК в начальный момент взаимодействия с заготовкой и после поворота на угол Р; г — глубина резания; г1 — радиус ШК; г2 — радиус заготовки.
Для определения шероховатости в продольном направлении необходимо найти координаты точки D. Для этого зададим уравнение окружности ШК
х2 + у2 = r2. (1)
Уравнение окружности ШК с центром в точке О2
(х-x02 )2 + (у-У02 )2 = П2, (2)
где Х02 = (ri + Г2 -1) - (п + Г2 -1) cos Р; У02 = = (ri + Г2 -1 )sin Р.
Уравнение окружности заготовки с центром в точке Оз
2
(х - r1 - r2 +1) + у2 = r22.
(3)
Тогда координаты точки В вычисляются как координаты точки пересечения окружностей, определяемых уравнениями (1) и (2):
хв = 0,5хо2 +
+ 0,5,
02
02 + Х02 )
0,25 (у
yD =JFI
ri2 у02
у02 + х
xD ■
(4)
(5)
^прод У
Шероховатость поверхности Я тахп определяемую высотой остаточного профиля в продольном направлении Нятах по рис. 2 и выражениям (3)-(5), можно представить как
= 7 Ус +(г1 + г2 - г - хв )2 - Г2 + г.
R max
прод
Схема расчета шероховатости в поперечном направлении приведена на рис. 3. При движении в направлении подачи ШК зерна оставляют ка-
А (увеличено)
Г
D
~4 ^^Лшах I
Stilly
Рис. 2. Схема расчета шероховатости поверхности в продольном направлении:
1 — ШК; 2 — заготовка
А (увеличено)
Рис. 3. Схема расчета шероховатости поверхности в поперечном направлении
навки на обработанной поверхности. После первого оборота заготовки расстояние между канавками составляет у. За один оборот заготовки ШК смещается на расстояние, равное 5поп /п2. После того как ШК переместился на величину В = 2Я8т{агссс>8 [(Я -1)/Я]}, где Я — радиус округления ШК (см. рис. 1), расстояние между канавками составило 1Яа. Время, за которое ШК перемещается на ширину В, можно определить как В/5поп. Число оборотов, выполненное заготовкой за это время, составляет Вп2 /5поп.
Тогда расстояние между канавками, формирующее шероховатость в направлении поперечной подачи,
ка = lfSПоп/( ВП2 ).
Согласно рис. 3, параметр шероховатости поверхности в направлении поперечной подачи
Я шах = Я = [^попК^Т
Я шахпоп = —— = ---,
8Гг 8Гг
где гг — радиус округления алмазного зерна, принимаемый в долях от среднего размера зерна Хср, т. е. Гг = 0,1Хср [11,12].
На рис. 4 приведены расчетные зависимости продольной и поперечной составляющих шероховатости поверхности от частоты вращения заготовки и глубины резания.
На рис. 5 показаны расчетные зависимости продольной составляющей шероховатости поверхности от частоты вращения ШК и поперечной составляющей шероховатости поверхности от поперечной подачи ШК.
Расчеты выполнены при следующих условиях резания:
Средний размер зерна хср, м..................1-10-7
Угол при режущей вершине зерна, град..........85
Коэффициент заделки зерна в связку............0,5
Расстояние между зернами, м................2 -10-7
Радиус ШК Г1, м.............................5-10-3
Радиус обрабатываемой заготовки г2, м......1,4-10-3
Радиус округления ШК гкр, м.................1 -10-4
Для рис. 4 и 5, а поперечная подача ШК 5поп = 0,5 мм/мин, а для рис. 5, а и б частота вращения заготовки П2 = 200 мин1, глубина резания t = 10 мкм.
Лтахпрод; Дтахпоп, мкм
«2, мин
Лтахпрод; Лтахпоп, мкм
0,10
0,01
I, мкм
(2)
Рис. 4. Расчетные зависимости продольной Яшахпрод (1) и поперечной Яшахп составляющих шероховатости поверхности от режимов резания: а — частоты вращения заготовки П2 при т = 60 000 мин-1 и t = 10 мкм; б — глубины резания t при т = 60 000 мин-1 и П2 = 200 мин-1; 3 — заданное ограничение по максимальной шероховатости поверхности
Ятахпрод, мкм
Лтахпоп, мкм
0,10
«1-10 3, мин 1
0,01 £ 0,25
0,50 0,75 1,00 б
5П0П, мм/мин
Рис. 5. Расчетные зависимости (1): а — продольной составляющей шероховатости поверхности Дтахпрод от частоты вращения ШК т, б — поперечной составляющей шероховатости поверхности _Ктахпоп от поперечной подачи ШК 5поп; 2 — заданное ограничение по максимальной шероховатости поверхности
Анализ графиков, приведенных на рис. 4, 5, показывает, что для получения шероховатости обрабатываемой поверхности в продольном и поперечном направлениях в пределе £тах < < 0,1 мкм при указанных ранее параметрах резания необходимо обеспечить следующие режимы шлифования: частота вращения заготовки — не более 200 мин1; частота вращения ШК — не менее 60 000 мин1; глубина резания — 10 мкм; поперечная подача ШК — не более 0,5 мм/мин при радиусе округления режущей части ШК, равном 0,1 мм.
Экспериментальные исследования. В лаборатории ООО «Ресурс точности» проведена технологическая отработка режимов алмазного шлифования твердосплавных пуансонов. Фотографии зоны шлифования приведены на рис. 6.
Обработка пуансонов проведена на ультрапрецизионном станке модели «Асферика-ФЗ». Основные узлы станка (шпиндель, направляющие по осям X и X) оснащены аэростатическими опорами, приводы — встроенными синхронными маловиброактивными двигателями. На станке реализовано одновременное управление по двум линейным координатам [13].
Эксперименты выполнены при следующих режимах шлифования: частота вращения заготовки — 200 мин1; частота вращения ШК — 60 000 мин1; глубина резания — 10 мкм; поперечная подача ШК — 0,5 мм/мин при радиусе округления режущей части ШК 100 мкм. Условия резания соответствовали принятым для расчета.
Метрологический контроль обработанной поверхности проведен на интерферометре 2удотах1т GP 200. На рис. 7 показаны характерные профилограммы.
+10ОО 0 п + 500 0 -j +0 0 -j < -500 0 -
£ -юооон
-1500 0 ч
Ш i
jyL _ р. м J- -f4 JU--кГ- 41 г— 4 I j'i Р 1 Ц , Г I Iг
Ч-.
L\
*
I (1 \Ци
-2000 0 ->
I—I-1—I-1-1-1-1—I—I—I—I—I—г—г
О 200 400 600
Distance (urn)
Рис. 7. Профилограммы обработанной поверхности твердосплавного пуансона
При измерении получены следующие параметры шероховатости обработанной поверхности: Ra = 0,03 мкм, Яшах = 0,120 мкм.
Незначительное увеличение экспериментального значения шероховатости по параметру Яшах по сравнению с заданным ограничением Яшах = 0,1 мкм, принятым на рис. 4, 5, объясняется дополнительным неучтенным влиянием технологической системы.
Выводы
1. На основании расчетов и экспериментальных исследований даны следующие рекомендации по режимам алмазного шлифования твердосплавных пуансонов параболической
формы с диаметром основания 1,4 мм кругами с многослойным композиционным электролитическим покрытием:
• частота вращения заготовки — не более 200 мин-1;
• частота вращения ШК диаметром 10 мм — не менее 60 000 мин-1;
• глубина резания — не менее 10 мкм;
• поперечная подача ШК — не более 0,5 мм/мин при радиусе округления режущей части ШК, равной 0,1 мм.
2. Дальнейшие исследования необходимо направить на изучение влияния износа алмазных зерен ШК на шероховатость обработанной поверхности [14, 15].
Литература
[1] Yin L., Vancoille E., Ramesh K., Huang H., Pickering J.P., Spowage A.C. Ultraprecision
grinding of tungsten carbide for spherical mirrors. Journal Engineering Manufacturing, 2004, vol. 218, no. 4, pp. 419-429.
[2] Suzuki H., Furuki T., Okada M., Yamagata Y., Morita S. Precision grinding of structured
tungsten carbide mold. Advanced Material and Research, 2012, vol. 497, pp. 15-19.
[3] Yan Q., Syoji K., Tanaka T., Zhang Z., Kuriyagawa T. Analyses of Grinding Force Characte-
ristic on High Speed Creep Feed Grinding Tungsten Carbide. Abrasive technology: current development and applications I: The Third International Conference on Abrasive Technology, Brisbane, Australia, November 22-24, 1999, Singapore, River Edge, NJ, World Scientific, 1999. 556 p.
[4] Ding W., Linke B., Zhu Y., Li Z., Fu Y., Su H., Xu J. Review on monolayer CBN superabrasive
wheels for grinding metallic materials. Chinese Journal of Aeronautics, 2017, vol. 30, no. 1, pp. 109-134.
[5] Yuan H.-P., Gao H., Guo D.-M. Electrolytic dressing mechanism of electroplated multilayer
abrasive wheel with nickel-cobalt alloy. Journal of Dalian University of Technology, 2012, vol. 52(2), pp. 197-202.
[6] Venkata R.R. Advanced Modeling and Optimization of Manufacturing Processed. London,
Springer Science & Business Media, 2010. 380 p.
[7] Chung H.-H., Yang K.L., Liao H.-T. The Study of Nanometer-Grade Grinding Surface for
Precision Molds. Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers, 2006, vol. 27, no. 6, pp. 707-715.
[8] Боровский Г.В., Шавва М.А., Захаревич Е.М., Грубый С.В., Маслов А.Р. Ультрапреци-
зионная обработка хрупких оптических материалов. Вестник машиностроения, 2015, № 9, с. 6-9.
[9] Binu T., Eby D., Manu R. Modeling and optimization of surface roughness in surface grind-
ing OFSiC advanced ceramic material. 5th International & 26th All India Manufacturing Technology, Design and Research Conference, December 12-14, 2014, IIT Guwahati, Assam, India, 2014, pp. 1-7.
[10] Shrivastava P.K., Dubey A.K. Intelligent Modeling of Surface Roughness during Diamond Grinding of Advanced Ceramics. Proceedings of the World Congress on Engineering, July 68, 2011, London, UK, 2011, vol. 1, pp. 825-830.
[11] Курдюков В.И. Основы абразивной обработки. Курган, Курганский государственный университет, 2014. 195 с.
[12] Юсупов Г.Х., Колегов С.А., Пузырева Т.Ю. Производительное алмазное шлифование. Москва, ТНТ, 2012. 228 с.
[13] Ультрапрецизионный станок модели «Асферика-Ф3». URL: http://ultraprecision.ru/ ?page_id=15 (дата обращения 9 мая 2018).
[14] Шавва М.А., Грубый С.В. Анализ взаимосвязи износа круга и сил резания при алмазном шлифовании. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, № 11, с. 137156. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/731997.html (дата обращения 1 апреля 2018).
[15] Новиков Ф.В., Минчев Р.М. Аналитическое определение шероховатости поверхности при абразивной обработке отверстий. Вестник НТУ «ХПИ», 2015, № 41(1150), с. 102-107.
References
[1] Yin L., Vancoille E., Ramesh K., Huang H., Pickering J.P., Spowage A.C. Ultraprecision
grinding of tungsten carbide for spherical mirrors. Journal Engineering Manufacturing, 2004, vol. 218, no. 4, pp. 419-429.
[2] Suzuki H., Furuki T., Okada M., Yamagata Y., Morita S. Precision grinding of structured
tungsten carbide mold. Advanced Material and Research, 2012, vol. 497, pp. 15-19.
[3] Yan Q., Syoji K., Tanaka T., Zhang Z., Kuriyagawa T. Analyses of Grinding Force Character-
istic on High Speed Creep Feed Grinding Tungsten Carbide. Abrasive technology: current development and applications I: the Third International Conference on Abrasive Technology, Brisbane, Australia, 22-24 November 1999, Singapore, River Edge, NJ, World Scientific, 1999. 556 p.
[4] Ding W., Linke B., Zhu Y., Li Z., Fu Y., Su H., Xu J. Review on monolayer CBN superabrasive
wheels for grinding metallic materials. Chinese Journal of Aeronautics, 2017, vol. 30, no. 1, pp. 109-134.
[5] Yuan H.-P., Gao H., Guo D.-M. Electrolytic dressing mechanism of electroplated multilayer
abrasive wheel with nickel-cobalt alloy. Journal of Dalian University of Technology, 2012, vol. 52(2), pp. 197-202.
[6] Rao R.V. Advanced Modeling and Optimization of Manufacturing Processed. London, Spring-
er Science & Business Media, 2010. 380 p.
[7] Chung H.-H., Yang K.L., Liao H.-T. The Study of Nanometer-Grade Grinding Surface for
Precision Molds. Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers, 2006, vol. 27, no. 6, pp. 707-715.
[8] Borovskiy G.V., Shavva M.A., Zaharevich E.M., Grubyy S.V., Maslov A.R. Ul'trapretsizion-
naya obrabotka hrupkih opticheskih materialov [Ultraprecision machining of brittle optical materials]. Vestnik mashinostroeniya [Russian Engineering Research]. 2015, no. 9, pp. 6-9.
[9] Binu T., Eby D., Manu R. Modeling and optimization of surface roughness in surface grind-
ing OFSiC advanced ceramic material. 5th International & 26th All India Manufacturing Technology, Design and Research Conference, 12-14 December 2014, IIT Guwahati, Assam, India, 2014, pp. 1-7.
[10] Shrivastava P.K., Dubey A.K. Intelligent Modeling of Surface Roughness during Diamond Grinding of Advanced Ceramics. Proceedings of the World Congress on Engineering, 6-8 July 2011, London, UK, 2011, vol. 1, pp. 825-830.
[11] Kurdyukov V.I. Osnovy abrazivnoy obrabotki [Basics of blasting]. Kurgan, Kurganskiy gosudarstvennyy universitet publ., 2014. 195 p.
[12] Yusupov G.H., Kolegov S.A., Puzyreva T.Yu. Proizvoditel'noe almaznoe shlifovanie [Productive diamond grinding]. Moscow, TNT publ., 2012. 228 p.
[13] Ul'trapretsizionnyy stanok modeli «Asferika-F3» [Ultra-precision machine for aspherical surfaces]. Available at: http://ultraprecision.ru/?page_id=15 (accessed 9 May 2018).
[14] Shavva M.A., Grubyy S.V. Analiz vzaimosvyazi iznosa kruga i sil rezaniya pri almaznom shlifovanii [Analysing a Relationship between Wheel Wear and Cutting Forces during Diamond Grinding]. Nauka i obrazovanie. MGTUim. N.E. Baumana [Science and Education. Bauman MSTU]. 2014, no. 11, pp. 137-156. Available at: http://technomag.bmstu.ru/ doc/731997.html (accessed 1 April 2018).
[15] Novikov F.V., Minchev R.M. Analiticheskoe opredelenie sherohovatosti poverhnosti pri abrazivnoy obrabotke otverstiy [Analytical determination of surface roughness in the abrasive machining of holes]. Vestnik NTU «HPI» [Bulletin of NTU «HPI»]. 2015, no. 41(1150), pp. 102-107.
Информация об авторах
ШАВВА Мария Александровна (Москва) — кандидат технических наук, старший научный сотрудник. АО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» (107023, Москва, Российская Федерация, Большая Семеновская ул., д. 49, e-mail: katapu@mail.ru).
ГРУБЫЙ Сергей Витальевич (Москва) — доктор технических наук, зав. кафедрой «Инструментальная техника и технологии». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: grusv@yandex.ru).
Статья поступила в редакцию 05.06.2018 Information about the authors
SHAVVA Mariya Aleksandrovna (Moscow) — Candidate of Science (Eng.), Senior Researcher. Russian Research and Development Tooling Institute VNIIINSTRUMENT (107023, Moscow, Russian Federation, Bolshaya Semenovskaya St., Bldg. 49, e-mail: katapu@mail.ru).
GRUBYI Sergey Vitalievich (Moscow) — Doctor of Science (Eng.), Professor, Head of Tools and Tooling Technology Department. Bauman Moscow State Technical University (105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1, e-mail: grusv@yandex.ru).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Шавва М.А., Грубый С.В. Шероховатость поверхности твердосплавных пуансонов при шлифовании алмазными кругами, изготовленными по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, № 9, с. 10-17, doi: 10.18698/0536-1044-2018-9-10-17.
Please cite this article in English as: Shavva M.A., Grubiy S.V. The Surface Roughness of Carbide Punches when Grinding by Diamond Wheels Manufactured Using the Multi-Layer Composite Electrolytic Coating Technology. Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine Building, 2018, no. 9, pp. 10-17, doi: 10.18698/0536-1044-2018-9-10-17.
