CC BY
28
УДК 621.937
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ, СООБЩАЕМЫХ НАКАТНОМУ РОЛИКУ, НА ПРОЦЕСС ВДАВЛИВАНИЯ АБРАЗИВНОГО ЗЕРНА В МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
М. Г. КИСЕЛЕВ, А. В. ДРОЗДОВ,
В. Л. ГАБЕЦ, А. А. СТОЛЯРОВ
Белорусский национальный технический университет, г. Минск
Введение
Для выполнения операций доводки и притирки прецизионных поверхностей деталей машин и приборов применяют инструменты, полученные путем шаржирования их рабочих поверхностей абразивными (алмазными) зернами. К ним относятся различные притиры, доводочные и ограночные диски, распиловочные (отрезные) диски, предназначенные для разделения монокристаллов алмаза на части при производстве из них бриллиантов и других изделий. Эти инструменты должны обладать высокими значениями режущей (полирующей) способности и стойкости, а также обеспечивать высокую геометрическую точность и качество обработанных поверхностей деталей. Степень обеспечения этих требований определяется характеристиками поверхностного слоя, полученного на рабочей поверхности инструмента в результате ее шаржирования. В частности, размером и количеством (концентрацией) внедренных в нее абразивных (алмазных) частиц, прочностью их закрепления в поверхностном слое и разновысотностью их расположения.
В зависимости от кинематических условий взаимодействия деформирующего инструмента с обрабатываемой поверхностью, все способы шаржирования можно свести к двум основным технологическим схемам: путем втирания абразивных зерен плоской поверхностью деформирующего инструмента при ее перемещении (вращательном или поступательном) относительно шаржируемой поверхности, а также путем их вдавливания в нее поверхностью накатного ролика при его качении относительно обрабатываемой поверхности.
Результатами предшествующих исследований [ 1 ]—[4] установлено, что эффективным способом повышения качества шаржирования распиловочных дисков является сообщение вращающемуся деформирующему инструменту (шайбе) ультразвуковых колебаний, направленных перпендикулярно обрабатываемой поверхности заготовки. В этом случае имеет место периодические ударное взаимодействие контактирующих поверхностей, благодаря которому процесс шаржирования протекает в режиме виброударного втирания алмазных зерен, который в сравнении с традиционным втиранием обеспечивает более высокую степень насыщения ими поверхности заготовки, т. е. более высокое качество ее шаржирования.
На сегодня отсутствуют сведения об эффективности использования ультразвуковых колебаний в процессе шаржирования поверхностей накатным роликом. Вместе с тем результатами теоретических исследований [5]-[7] установлено, что применение ультразвука позволяет путем изменения интенсивности и направления введения ко-
лебаний, сообщаемых ролику, управлять в процессе качения как скоростью, так и направлением его вращательного движения. Кроме того, при сообщении ролику колебаний, направленных перпендикулярно обрабатываемой поверхности, можно обеспечить ее периодическое ударное взаимодействие с поверхностью ролика, при котором процесс шаржирования протекает в условиях виброударного вдавливания абразивных зерен в материал подложки.
Отмеченные обстоятельства определили цель данной работы, которая заключалась в экспериментальном исследовании влияния ультразвуковых колебаний, сообщаемых накатному ролику, на процесс вдавливания абразивного зерна в металлическую поверхность основания при их введении перпендикулярно этой поверхности.
Методика проведения исследований
На рис. 1 представлена принципиальная схема экспериментальной установки, примененной в исследованиях. На ее массивном основании 1 на направляющих качения установлен подвижный стол 2, на котором закрепляется исследуемый образец 3. Накатной ролик 4 устанавливается на оси, которая закреплена в вилке 5 с резьбовым хвостовиком. С его помощью она жестко закрепляется на выходном торце конического концентратора 6, связанного с пьезокерамическим преобразователем продольных ультразвуковых колебаний 7. В узловом сечении концентратора выполнен фланец 8, посредством которого акустическая головка закрепляется на плите 9, установленной на шариковых направляющих 10, обеспечивающих ее плавное перемещение в вертикальном направлении. С помощью трособлочной системы 11 плита связана с аттестованными грузами 12, за счет изменения массы которых регулируется статическое усилие прижатия ролика к поверхности образца.
12
10
5
3
Рс
11
9
7
6
8
4
2
1
Рис. 1. Принципиальная схема установки для исследования процесса вдавливания абразивного зерна накатным роликом: 1 - основание; 2 - стол; 3 - образец; 4 - накатной ролик; 5 - вилка; 6 - конический концентратор; 7 - пьезокерамический преобразователь;
8 - фланец; 9 - плита; 10 - шариковые направляющие; 11 - трособлочная система;
12 - грузы
В качестве накатного ролика использовался радиальный шарикоподшипник с наружным диаметром 22 мм, который с гарантированным натягом устанавливался на оси вилки. Образцы в форме пластин размером 20 х 50 мм и толщиной 4 мм изготав-
ливались из легкоплавкого сплава Вуда. Эксперименты проводились с использованием зерен карбида бора с размером основной фракции 1 мм. Предварительно с помощью микроскопа БМИ-1 измерялись их характерные размеры (полусумма длины и ширины прямоугольника, условно описанного вокруг проекции зерна) и отбирались те из них, которые по этим параметрам максимально соответствовали друг другу.
Выполнялись эксперименты в следующей последовательности: абразивное зерно помещалось на поверхности металлического образца, закрепленного на подвижном столе установки. Предварительно на эту поверхность наносился тонкий слой машинного масла, с помощью которого зерно фиксировалось на ней. Затем, путем плавного перемещения стола, оно попадало в зону контакта с поверхностью катящегося накатного ролика и вдавливалось им в металлическую поверхность образца. Процесс перекатывания ролика через абразивное зерно сопровождался перемещением акустической головки в вертикальном направлении, величина которого измерялась с помощью индикатора часового типа ИЧ-10, закрепленного на магнитной стойке таким образом, чтобы измерительный наконечник контактировал с подвижной плитой вертикальных направляющих установки. В ходе проведения экспериментов определялось максимальное значение этого перемещения, соответствующего различным условиям и режимам вдавливания абразивного зерна. По изменению этого параметра относительно исходного размера зерна судили о наличии процесса его разрушения и степени дробления.
После выполнения однократного акта вдавливания абразивного зерна в поверхность образца, с помощью микроскопа БМИ-1 исследовался характер их контактного взаимодействия. В частности, фиксировалось наличие или отсутствие акта разрушения зерна, а также определялись условия закрепления как его, так и образовавшихся при его разрушении твердых частиц в поверхности образца.
С целью оценки влияния ультразвука на протекание процесса вдавливания абразивного зерна в металлическую поверхность образца эксперименты выполнялись как при качении накатного ролика в обычных условиях, так и при сообщении ему ультразвуковых колебаний с частотой 21,8 кГц и амплитудой от 2 до 6 мкм в направлении, перпендикулярном поверхности образца.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости высоты подъема акустической головки (Н) в процессе вдавливания абразивного зерна от усилия прижима (Рст) накатного ролика к поверхности образца при его качении в обычных условиях и при ультразвуковом воздействии с различной амплитудой колебаний (Ао), направленных вдоль вертикальной оси.
Из анализа этих зависимостей следует, что наибольшее значение высоты подъема акустической головки (Н) имеет место при вдавливании абразивного зерна накатным роликом в обычных условиях его качения и с наименьшей величиной статического усилия его прижатия к поверхности образца. При этих условиях величина Н составила 0,9 мм при исходном размере зерна 1 мм, т. е. разность между ними оказалась незначительной - 0,1 мм. Это свидетельствует о том, что в процессе вдавливания зерно не разрушается, а только незначительно внедряется в поверхность образца. По мере увеличения Рст высота подъема акустической головки снижается, достигая своего минимального значения (Н = 0,4 мм) при наибольшей величине Рст = 35 Н. Связано это с влиянием на величину Н процесса разрушения абразивного зерна, приводящего к его дроблению (измельчению), степень которого возрастает с увеличением Рст.
и 1
Н, мм
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
5 10 15 20 25 30 35 Рст мм
Рис. 2. Зависимость высоты подъема акустической головки (Н) в процессе вдавливания абразивного зерна от усилия прижима (Рст) накатного ролика к поверхности образца при его качении в обычных условиях (без УЗК) и при ультразвуковом воздействии с различной амплитудой колебания (А0)
При сообщении ролику ультразвуковых колебаний процесс вдавливания абразивного зерна в поверхность образца протекает при меньших, чем в обычных условиях значениях Н. С увеличением амплитуды колебаний и величины Рст высота подъема акустической головки уменьшается, оставаясь во всех случаях ниже ее значения при качении ролика в обычных условиях.
Изменение высоты подъема акустической головки вместе с накатным роликом в процессе его перекатывания по абразивному зерну обусловлено двумя обстоятельствами. В частности, внедрением абразивного зерна в металлическую поверхность на некоторую глубину и его разрушением. Поэтому чем интенсивнее протекают эти процессы, тем меньше высота подъема акустической головки. Исходя из этого, полученные результаты свидетельствуют о том, что сообщение накатному ролику ультразвуковых колебаний приводит, в сравнении с его качением в обычных условиях, к более интенсивному протеканию указанных процессов.
С целью количественной оценки влияния ультразвуковых колебаний на эти процессы воспользуемся коэффициентом эффективности их воздействия на изменение высоты подъема акустической головки пн, значение которого определяется по формуле
Цн = (* - Н) 100%, (0
где Нак и Н - соответственно высота подъема акустической головки при сообщении ролику ультразвуковых колебаний и при качении в обычных условиях.
Зависимость коэффициента цН от величины статического усилия прижима накатного ролика при различных значениях амплитуды сообщаемых ему ультразвуковых колебаний представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость коэффициента цН от статического усилия прижима накатного ролика (Рст) при различных значениях амплитуды (А0) сообщаемых ему ультразвуковых
колебаний
Из полученных зависимостей следует, что с увеличением амплитуды ультразвуковых колебаний, сообщаемых накатному ролику, значение коэффициента цН возрастает. Это свидетельствует о повышении степени дробления абразивного зерна и внедрения образовавшихся твердых частиц в поверхность образца по сравнению с процессом его вдавливания в обычных условиях. По мере увеличения статического усилия прижатия ролика к поверхности образца происходит следующее. В диапазоне изменения Рст от 5 до 20 Н значение коэффициента цН, соответствующее данной амплитуде ультразвуковых колебаний, изменяется незначительно, а при больших величинах Рст, оно резко снижается, достигая наименьшего значения при наибольшей величине Рст = 35 Н. Причем по мере увеличения амплитуды ультразвуковых колебаний снижение коэффициента цН на этом участке происходит более интенсивно. Следовательно, существует определенно диапазон соотношений между величиной статического усилия прижима ролика и значением амплитуды сообщаемых ему ультразвуковых, в котором достигается наибольшее интенсифицирующее воздействие ультразвука на процесс дробления абразивного зерна и внедрения образовавшихся твердых частиц в поверхность образца.
Как известно [8], для рассматриваемого направления введения ультразвуковых колебаний (перпендикулярно поверхности образца) в зависимости от соотношения амплитуды колебательных смещений (А0) поверхности накатного ролика в зоне контакта с абразивным зерном и величины предварительного натяга в акустической колебательной системе (Хст), обусловленной статическим усилием прижатия ролика к зерну, их взаимодействие может протекать в двух режимах. Если А0 < 2Хст, то имеет место безотрывный режим, при котором контактирующие поверхности колеблются как единое целое в пределах упругих деформаций. В том случае, когда А0 > 2Хст, то в акустической колебательной системе устанавливается виброударный режим взаимодействия поверхности накатного ролика с абразивным зерном, который характеризуется периодическим разрывом их контакта с последующим соударением. В результате процесс внедрения абразивного зерна протекает в условиях его виброударного вдавливания в металлическую поверхность образца колеблющейся поверхностью накатного ролика. Под действием высокочастотных импульсных нагрузок абразивное зерно внедряется в поверхность образца на большую глубину по сравнению с его вдавливанием накатным роликом в обычных условиях. Одновременно такой характер нагружения абразивного зерна в условиях ультразвукового воздействия приводит к его более интенсивному, чем в обычных условиях, разрушению (дробле-
нию). В результате уменьшается размер образовавшихся абразивных частиц, находящихся в зоне контакта с поверхностью накатного ролика, что обусловливает снижение высоты подъема акустической головки. С повышением амплитуды ультразвуковых колебаний, т. е. с увеличением неравенства А0 > 2Хст, возрастает уровень силового виброударного нагружения абразивного зерна, что сопровождается повышением интенсивности протекания процесса его разрушения и внедрения образовавшихся частиц в поверхность образца. Поэтому с увеличением амплитуды колебаний, сообщаемых накатному ролику, высота подъема акустической головки уменьшается (рис. 2), а значение коэффициента цН возрастает (рис. 3).
При постоянной амплитуде колебаний с увеличением статического усилия прижатия ролика значение коэффициента цН в диапазоне изменения Рст от 5 до 20 Н остается практически постоянным, после чего оно резко снижается. Наличие такого участка на зависимости обусловлено двумя основными причинами. Так, с увеличением Рст возрастает величина предварительного натяга в акустической колебательной системе (Хст), т. е. уменьшается неравенство ^0 > 2Хст, что влечет снижение интенсивности виброударного режима взаимодействия поверхности ролика с абразивным зерном. Помимо этого полученные в результате дробления зерна абразивные частицы достигают такого малого размера, при котором процесс их дальнейшего разрушения даже с повышением уровня их динамического нагружения существенно ограничивается.
Для количественной оценки влияния ультразвуковых колебаний на процесс разрушения абразивного зерна при его вдавливании в металлическую поверхность образца накатным роликом была проведена серия экспериментов с использованием следующей методики: в металлическую поверхность образца при неизменных условиях нагружения последовательно вдавливалось пятьдесят предварительно отобранных зерен карбида бора. После выполнения каждого эксперимента визуально с помощью микроскопа БМИ-1 фиксировалось наличие или отсутствие факта разрушения абразивного зерна. По результатам экспериментов определялся процент разрушенных при данных условиях нагружения абразивных зерен. Эксперименты проводились как при обычных условиях взаимодействия абразивного зерна с поверхностью накатного ролика, так и при сообщении последнему ультразвуковых колебаний с различной амплитудой колебательных смещений.
На рис. 4 представлены экспериментально полученные зависимости процента разрушенных абразивных зерен (р) в процессе их вдавливания в металлическую поверхность образца от статического усилия прижима накатного ролика при его качении в обычных условиях и при сообщении ему ультразвуковых колебаний.
Из них следует, что минимальный процент разрушенных зерен (р = 4-6 %) имеет место при усилии прижатия ролика (Рст = 5 Н). По мере его увеличения процент разрушенных зерен при их вдавливании как в обычных условиях качения ролика, так и с ультразвуком возрастает. В последнем случае значение параметра р во всех случаях остается выше, чем при вдавливании абразивных зерен в обычных условиях. С увеличением амплитуды ультразвуковых колебаний, сообщаемых накатному ролику, процент разрушенных зерен возрастает, что свидетельствует о повышении интенсивности протекания процесса их дробления. Так, если при вдавливании зерен в обычных условиях с Рст = 35 Н количество разрушенных зерен составило порядка 30 %, то за счет сообщения накатному ролику ультразвуковых колебаний с амплитудой 6 мкм их количество возросло до 90 %.
р, %
Рис. 4. Зависимость процента разрушенных абразивных зерен (р) от статического усилия прижима накатного ролика (Рст) при его качении в обычных условиях и при сообщении ультразвуковых колебаний с различной амплитудой (До)
Дробление исходных абразивных зерен приводит к образованию твердых частиц меньшего размера, которые обладают высоким значением прочности и способны сохранять целостность при больших сжимающих нагрузках. В результате в процессе их вдавливания они могут внедряться в металлическую поверхность образца и закрепляться в ней, т. е. шаржироваться в нее.
Для подтверждения этого и оценки степени влияния ультразвука на интенсивность шаржирования поверхности образца абразивными частицами была применена следующая методика. После вдавливания абразивного зерна в поверхность образца с целью удаления с нее незакрепившихся или слабо закрепившихся твердых частиц этот ее участок обрабатывался струей сжатого воздуха. Затем с помощью микроскопа определялось наличие закрепившихся (шаржированных) в поверхности образца абразивных частиц. При неизменных режимах вдавливанию подвергалось по 50 штук абразивных зерен, и по их результатам оценивался процент наличия в поверхности образца шаржированных частиц. При этом не определялось их количество, а только фиксировался факт шаржирования, если это была даже только одна, закрепившаяся в поверхности образца, частица.
Данные, отражающие процент наличия в поверхности образца шаржированных частиц (рш) после вдавливания в нее абразивного зерна в зависимости от усилия прижатия накатного ролика при его качении в обычных условиях и с ультразвуком, представлены на рис. 5.
Из них видно, что зависимость рш (Рст) как в обычных условиях качения ролика, так и с ультразвуком имеет два характерных участка. Так, при вдавливании абразивного зерна в обычных условиях качения ролика по мере увеличения статического усилия его прижатия с 5 до 20 Н значение параметра рш возрастает незначительно (с 5 до 10 %). При больших величинах статического усилия прижатия ролика, вплоть до Рст = 35 Н, значение параметра рш резко возрастает с 10 до 40 %.
Рис. 5. Зависимость процента наличия в поверхности образца шаржированных частиц (рш) в зависимости от усилия прижатия накатного ролика (Рст) при его качении в обычных условиях и с ультразвуком при различной амплитуде колебаний (А0)
Во всех случаях сообщение ролику ультразвуковых колебаний интенсифицирует процесс шаржирования поверхности образца абразивными частицами. С увеличением их амплитуды значение параметра рш возрастает, при этом величина статического усилия прижатия ролика, соответствующая наступлению второго участка на зависимости рш (Рст), смещается в сторону меньших значений.
Заключение
На основе обобщенного анализа и сопоставления результатов выполненных исследований можно определить особенности протекания процесса вдавливания абразивного зерна в металлическую поверхность образца при сообщении накатному ролику ультразвуковых колебаний, направленных перпендикулярно этой поверхности. В частности, экспериментально установлено, что под действием ультразвуковых колебаний интенсифицируется процесс разрушения абразивного зерна по сравнению с его вдавливанием в обычных условиях. При этом в результате высокочастотного ударного нагружения со стороны накатного ролика изменяется характер разрушения абразивного зерна за счет преобладания в этом процессе доли скалывания по сравнению с раздавливанием, которое присуще разрушению зерна в обычных условиях. Такой характер разрушения абразивного зерна приводит к тому, что образовавшиеся твердые частицы имеют меньший размер, чем частицы, полученные в результате его раздавливания в обычных условиях качения ролика. Отсюда следует, что под действием ультразвуковых колебаний интенсифицируется процесс дробления абразивного зерна, в результате чего образуется большее, чем при обычных условиях его вдавливания, количество твердых частиц, но меньшего размера.
По сравнению с исходным абразивным зерном такие частицы (зерна) имеют более высокое сопротивление скалыванию и раздавливанию, а также меньший радиус скругления вершин. Поэтому в процессе вдавливания они, сохраняя свою целостность, способны внедряться в поверхность образца, т. е. шаржироваться в нее. Экспериментально установлено, что сообщение накатному ролику ультразвуковых колебаний интенсифицирует процесс шаржирования образовавшихся в результате дробления абразивного зерна твердых частиц в металлическую поверхность образца. В этом случае внедрение частиц в поверхность образца протекает в режиме их виб-роударного вдавливания, который, по сравнению с обычным режимом, обеспечивает
большую глубину их внедрения, а соответственно и закрепления (шаржирования) в металле образца.
По мере увеличения амплитуды ультразвуковых колебаний, сообщаемых накатному ролику при ^0 > 2Хст, нелинейно возрастает величина ударного импульса, передаваемого его поверхностью абразивному зерну за время периода колебаний [8]. В результате этого интенсифицируется процесс разрушения абразивного зерна с одновременным повышение степени его дробления, а также процесс шаржирования поверхности образца образовавшимися твердыми частицами.
С практической точки зрения установленные особенности и закономерности влияния ультразвуковых колебаний, сообщаемых накатному ролику, на протекание процесса вдавливания абразивного зерна в металлическую поверхность могут быть использованы для совершенствования технологии и повышения качества шаржирования поверхностей различных инструментов.
Литература
1. Киселев, М. Г. Повышение эксплутационных показателей распиловочных дисков путем их ультразвуковой обработки / М. Г. Киселев, В. Т. Минченя, С. С. Савицкий // Алмазы и сверхтвердые материалы. - 1983. - № 12. - С. 5-6.
2. Киселев, М. Г. Повышение эксплутационных показателей распиловочных дисков / М. Г. Киселев, В. Т. Минченя, И. А. Касьяненко // Порошк. металлургия. -1998. - Вып. 21. - С. 23-26.
3. Киселев, М. Г. Определение оптимальных режимов двустороннего шаржирования с ультразвуком боковых поверхностей распиловочных дисков по их абразивной способности / М. Г. Киселев, А. А. Новиков, Д. А. Степаненко // Вестн. БНТУ. -2005. - № 3. - С. 34-39.
4. Киселев, М. Г. Влияние режимов шаржирования распиловочных дисков с ультразвуком на их режущую способность / М. Г. Киселев, А. А. Новиков // Вестн. По-лоц. гос. ун-та. Сер. В. Прикладные науки. Промышленность. - 2008. - С. 35-42.
5. Влияние ультразвукового воздействия на условия контактного взаимодействия накатного ролика с обрабатываемой поверхностью / М. Г. Киселев [и др.] // Вестн. Полоц. гос. ун-та. - 2009. - № 2. - С. 63-71.
6. Теоретическая оценка влияния ультразвуковых колебаний, сообщаемых ролику вдоль горизонтальной оси, на параметры его вращательного движения при взаимодействии с подвижным основанием / М. Г. Киселев [и др.] // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2009. - № 2. - С. 54-63.
7. Влияние ультразвуковых колебаний, сообщаемых накатному ролику под углом, на условия его контактного взаимодействия с подвижным основанием / М. Г. Киселев [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2009. - № 3. - С. 96-109.
8. Киселев, М. Г. Ультразвук в поверхностной обработке материалов / М. Г. Киселев, В. Т. Минченя, В. А. Ибрагимов ; под ред. М. Г. Киселева. - Минск : Тесей, 2001. - 344 с.
Получено 29.03.2010 г.
