CC BY
15
УДК 621.923
В. И. Лавриненко1, В. Ю. Солод2, В. А. Скрябин1, И. В. Лещук1
1 Институт сверхтвердых материалов им. В. H. Бакуля HAH Украины
2 Днепродзержинский государственный технический университет MOH Украины
ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ КРУГАМИ ИЗ СТМ С СОЧЕТАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ АБРАЗИВОВ В РАБОЧЕМ СЛОЕ КРУГА
В данной статье рассматриваются вопросы формирования микронеровностей на обрабатываемой поверхности при шлифовании кругами из сверхтвердых материалов с учетом сочетания различных абразивов в рабочем слое круга. Показана взаимосвязь высотных и шаговых параметров шероховатости и особенности профиля микронеровностей при различном сочетании абразивов (алмазов и кубического нитрида бора).
Ключевые слова: микронеровность, параметр шероховатости, шлифование, сверхтвердые материалы.
Введение
Известно [1—3], что существует определенная связь между высотными и шаговыми параметрами шероховатости. Так, в работе [1] такая связь была уточнена для основных высотных параметров в зависимости от технологии обработки: для плосковершинной и отделочно-упрочняющей обработки Яшах = 5Яа, для точения, строгания, фрезерования Яшах = 6Яа, для шлифования Яшах = 7Яа. Авторами [2] связь между высотными параметрами Яа и Яшах выражена в виде Яшах = (6,472±0,225)Яа для шлифования кругами из кубонита стальных изделий. В работе [1] показано, что для большинства методов механической обработки при средней высоте микронеровностей шаг шероховатости 8т не превышает 40ЯШах (шлифование, строгание, фрезерование, растачивание стальных и чугунных деталей), а для неровностей с меньшей высотой значения их шага могут достигать 300Яшах. В работе [3] были изучены особенности формирования зависимости параметра Яшах от Яа для различных условий обработки и показано, что такая зависимость сводится к ряду следующих простых соотношений, которые в определенной степени совпадают с выводами работы [1]. Например, для спеченной и необработанной поверхности твердых сплавов она близка к виду Яшах » » 4Яа. При лезвийной обработке сталей (40Х, ШХ15, Х12М) резцами из Гексанита-Р зависимость больше отвечает виду Яшах » 6Яа. Для абразивной обработки кругами из СТМ наиболее характерной будет зависимость, близкая к виду Яшах » 8Яа. Это характерно как для инструментальных материалов: быстрорежущих сталей, керамик, твердых сплавов, так и для незакаленной
стали, нержавеющих сталей и титановых сплавов. Для чисто абразивной обработки, например, кругами из электрокорунда, зависимость Яшах= = /(Яа) более близка к виду Яшах » (6 8)Яа. А вот при доводке керамики и покрытий зависимость Яшах = /(Яа) близка к виду Яшах » 10Яа. В последнем случае свой вклад в повышение значения Яшах вносит пористость данных материалов, поскольку при доводке она уже играет значительную роль.
Цель и постановка задачи
В данной статье, учитывая ее небольшой объем, мы хотели бы остановиться на связи между двумя основными высотными параметрами Яа и Яшах, а также на связи между Яа и 8т. При этом, нас в большей степени будут интересовать особенности формирования микронеровностей обработанной поверхности при торцовом шлифовании кругами из СТМ для случая, когда в рабочем слое имеется сочетание двух или трех шлифпорошков различных абразивов (алмазов и КНБ).
Реализация задачи
Рассмотрим, как изменяются эти закономерности, когда мы имеем дело с абразивным инструментом, рабочий слой которого состоит из сочетания различных абразивов (компактов шлиф-порошков на основе микропорошков кубонита, смеси компактов со стандартными шлифпорош-ками кубонита, смеси компактов с алмазными шлифпорошками). При проведении лабораторных исследований общее количество испытанных абразивных смесей шлифпорошков в основе которых были микропорошки композиционных порошков кубонита составило 21 вариант.
© В. И. Лавриненко, В. Ю. Солод, В. А. Скрябин, И. В. Лещук, 2011
Были изготовлены круги формы 12А2-45°125х5х3х32 — на связующем марки В2-08. Шлифовали образцы размерами 150х20х8 мм из быстрорежущей стали Р6М5. Обработка производилась без охлаждения.
Шероховатость обрабатываемых поверхностей контролировалась с помощью профилометра-про-филографа модели 8шТГе81 81-201 фирмы МШоуо (Япония), поключенного к компьютеру. Шероховатость обработанной поверхности оценивали по следующим основным параметрам: среднего арифметического отклонения профиля микронеровностей, Яа, мкм; максимальной высоты микронеровностей, Яшах, мкм; среднего шага микронеровностей по базовой линии, Бш, мкм.
Анализ параметров микронеровностей обработанных поверхностей для четырех случаев сочетания абразивов в рабочем слое шлифовальных кругов (чистые компакты — КМ, компакты КМ и алмазы АС32, компакты КМ и кубонит КВ, компакты КМ с алмазами АС32 и кубони-том КВ) показал, что при шлифовании быстрорежущих сталей соотношение Яшах/Яа находится в диапазоне от 7,5 до 10, а средний показатель составляет 8,5, что соответствует тем данным, которые нами изложены выше. Характерно также и то, что разные сочетания абразивов не выделяются в отдельные области, а находятся в общей совокупности данных.
Теперь рассмотрим соотношение высотных и шаговых параметров шероховатости для исследованных в данной работе условий. Общие результаты исследований эксплуатационных показателей первой партии кругов с шлифпорошка-ми на основе компактов микропорошков кубо-нита показали, что для них характерен особый механизм изнашивания зерен. Они (за исключением зернистости 160/125 и, может быть, частично 250/200) изнашиваются в значительной мере не сколами, а как бы послойно, и поэтому режущая способность зерна не возобновляется, возрастает контакт площадки скольжения зерна по обрабатываемой поверхности. С увеличением производительности шлифования срезание материала ухудшается и растет эффективная мощность шлифования. Косвенным подтверждением гипотезы о послойном изнашивании зерен должна быть небольшая разница в величинах шероховатости, при достаточно ощутимом различии в величинах зернистостей, и увеличенный шаг неровностей в тех зернистостях, которые имеют неудовлетворительную режущую способность. Анализ данных по шероховатости обрабатываемой поверхности подтвердил данную гипотезу. Так, сравним три зернистости при одинаковой производительности шлифования — 120 мм3/мин: 630/500 - Яа = 0,44 мкм, 250/200 -
Яа = 0,37 мкм, 160/125 - Яа = 0,46 мкм. Для 200 мм3/мин: 250/200 - Яа = 0,93 мкм, 200/160 -Яа = 0,86 мкм, 160/125 - Яа = 0,72 мкм, 125/100 -Яа = 0,76 мкм. Видно, что при производительности в 120 мм3/мин снижение зернистости компактов в кругах в 4 раза никак не повлияло на шероховатость, а при повышении производительности обработки наблюдается определенная тенденция к снижению шероховатости с уменьшением зернистости, но эта тенденция является нечеткой и принциально большой разницы между, например, 250/200 и вдвое меньшей зернистостью - 125/100 мы не наблюдаем. В свою очередь, анализ связи между показателем Яа и шагом неровностей Бш (рис. 1) четко выявил, что именно на тех зернистостях, которые оказались совсем неработоспособными в кругах (630/500, 200/160, 125/100), и наблюдается повышение значений шага неровностей.
Косвенным подтверждением указанного выше является также и характер профиля микронеровностей обрабатываемой поверхности такими кругами. Если для тех зернистостей, которые проявили себя как неработающие, характерным является более или менее равномерный профиль микрорельефа (рис. 2), то для зернистости 160/ 125, оказавшейся достаточно работоспособной, характерным является профиль микрорельефа со своеобразными повторяющимися «карманами». Это как раз отражает то, что у такой зернистости наряду с четко выраженными компактами встречаются и так называемые «режущие» зерна, которые и придают такую своеобразность профилю микронеровностей (рис. 3).
Рис. 1. Пример кореляционной связи между параметром шероховатости Яа и шагом микронеровностей Бш
Рис. 2. Профиль микронеровностей обработанной поверхности кругом с зернистостью КМ630/500
Рис. 3. Профиль микронеровностей обработанной поверхности кругом с зернистостью КМ160/125
Анализ приведенных выше данных позволяет сделать вывод о том, что, вероятно тут имеет значение то, что в зернистости 160/125 (в общем объеме навески) были зерна, которые в какой-то мере были ближе к стандартным зернам КНБ, чем к компактам, что им и давало возможность удерживать режущую способность круга. Поэтому, на следующем этапе были изучены особенности профиля микронеровностей обрабатываемой поверхности после обработки кругами, когда в качестве абразива использовалась бы смесь стандартных зерен КНБ и зерен компактов из микропорошков кубонита. Сравнивались между собой круги со смешанными зернами из компактов кубонита зернистостью от КМ 125/100 до КМ 315/250 с добавлением стандартных зерен КВ 160/125 (КВ 125/100) в соотношении 50:50, то есть зернистость компактов изменялась, а стандартных зерен — не изменялась (160/125 или 125/100).
Рассмотрим, что же происходит в том случае, когда есть базовая зернистость и изменяющаяся компактная? Для производительности 200 мм3/мин имеем следующее: КМ 315/250 — Яа = 0,66 мкм, КМ 250/200 -Яа = 0,63 мкм, КМ 200/160 -Яа = 0,75 мкм, КМ 160/125 -Яа = 0,51 мкм, КМ 125/100-Яа = 0,58 мкм.
А для производительности в 400 мм3/мин имеем: КМ 250/200 - Яа = 1,05 мкм, КМ 200/160 -Яа = 1,27 мкм, КМ 160/125 - Яа = 1,00 мкм, КМ 125/100 - Яа = 1,10 мкм. Как видно, в обоих случаях шероховатость где-то приблизительно является одинаковой, несколько выпадает из общего ряда зернистость компакта - 200/160. Это свидетельствует о том, что зернистость компактов, как и предполагается из гипотезы, высказанной выше, никак не влияет на шероховатость из-за особенностей изнашивания этих компактов. Вместе с тем, наличие стандартных зерен кубо-нита КВ 125/100 (160/125), из-за своей более лучшей режущей способности, улучшает показатели шероховатости. Например, у чистых компактов при производительности в 200 мм3/мин диапазон Яа составил 0,72-0,93мкм, а у смешанной группы -0,51-0,75 мкм. Кроме того, обратим внимание на то, что у смешанных абразивов профиль микронеровностей достаточно равномерный и не характеризуется четким наличием тех «карманов», на которые мы уже обращали внимание для чистых (см. рис. 3) компактов.
В целом, одновременное использование в шлифовальных кругах зерен шлифпорошков компактов на основе микропорошков кубонита и
стандартных зерен кубонита несколько улучшает работоспособность кругов по сравнению с использованием исключительно шлифпорошков компактов, поскольку становится возможным достичь больших производительностей беспри-жоговой обработки быстрорежущей стали — 300 мм3/мин при смеси и всего 200 мм3/мин при чистом компакте, а также несколько снизить шероховатость обрабатываемой поверхности (с Яа = 0,72 мкм при компактах до Яа = 0,52 мкм при смеси шлифпорошков кубонита). Следовательно, использование смесей шлифпорошков дает определенный эффект, поэтому на последнем этапе для сравнения были изучены эксплуатационные свойства кругов, когда сочетается смесь компактов КМ различной зернистости и стандартных алмазных зерен соответствующих зернистостей. Сравнивали между собой износостойкость кругов со смешанными зернами из компактов кубонита различной зернистости от КМ 125/100 до КМ 400/315 с добавлением стандартных алмазных зерен АС32 соответствующих зер-нистостей от 400/315 до 100/80 в соотношении 50 : 50. Было изначально определено, что зернистость компактов и зернистость алмазов совпадали. Тем самым, мы имеем фактически ту же ситуацию, что и в первой группе, но теперь уже компактов в рабочем слое только 50 %, а другие 50 % занимают алмазы, которые по быстрорежущей стали имеют приближенный к компактам механизм изнашивания, поскольку на них также будут образовываться площадки износа, и это мы должны увидеть по характеру микронеровностей обработанной поверхности.
Напомним, что по первой группе компактов основной оказалась тенденция, когда снижение зернистости компактов до 160/125 выявилось наиболее эффективным с точки зрения износостойкости кругов. Логичным было бы ожидать такой же тенденции и в случае смеси компактов с алмазами. Так, для производительности в 120 мм3/мин имеем следующее: для КМ 400/315 — Яа = 0,53 мкм, для КМ 315/250 - Яа = 0,44 мкм, для КМ 250/200 - Яа = 0,28 мкм, для КМ 200/160 -Яа = 0,42 мкм, для КМ 160/125 - Яа = 0,27 мкм, для КМ 125/100 - Яа = 0,36 мкм. Из анализа
этих данных можно сделать вывод о том, что в целом наблюдается тенденция в снижении шероховатости со снижением зернистости, хотя и есть выброс для зернистости 125/100. Посмотрим, что происходит при повышении производительности до 200 мм3/мин: для КМ 250/200 -Яа = 0,44 мкм, для КМ 200/160 - Яа = 0,49 мкм, для КМ 160/125 - Яа = 0,39 мкм. Принципиальной разницы мы не наблюдаем, но обратим внимание на уровень значений Яа для этой группы - 0,4...0,5 мкм. Сравним, что давали круги с чистыми компактами для этой же производительности. Тут уровень значений Яа уже выходит на диапазон - 0,7...0,9 мкм, т.е. примерно в 2 раза выше. А смесь компакта со стандартным кубонитом для 200 мм3/мин дает диапазон Яа в 0,5...0,8 мкм. Как видим, смесь компактов с алмазами дает наименьшие показатели шероховатости обрабатываемой поверхности и это, вероятно, связано с тем, что они изнашиваются не сколами, а как бы послойно, а потому режущая способность зерна не возобновляется, возрастает контакт площадки скольжения зерна по обраба-тывамой поверхности и снижается шероховатость поверхности. Возникает вопрос о том, как это отразилось на профиле микронеровностей.
Вот тут мы и наблюдаем в особенно ярком виде формирование микронеровностей обрабатываемой поверхности с так называемыми «карманами», на которые мы уже обращали внимание. Для кругов со смесью компактов КНБ и наличием алмазов при обработке стали Р6М5 это как раз и является наиболее характерным. Более ярко это наблюдается на больших зернистостях -400/315 (рис. 4). Кроме того, характерным является также то, что профили микронеровностей обрабатываемой поверхности такими кругами имеют аномально высокие шаги микронеровностей (рис. 5), что как раз и подтверждает высказанные нами выше предположения по поводу механизма изнашивания абразивных зерен в таких кругах.
Следовательно, одновременное использование в кругах зерен компактов и алмазных зерен ситуацию не улучшает с точки зрения износостойкости кругов и с точки зрения качества обрабатываемой поверхности, поскольку невозможно
_ 2.0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
[тт]
Рис. 4. Профиль микронеровностей обработанной поверхности кругом со смешанным шлифпорошком компакта
КМ 400/315 и АС32 400/315
Рис. 5. Пример корреляционной связи между Вл и 8ш\
1 — область формирования обработанной поверхности с четко выраженными «карманами» (см. рис. 4), 2 — с нечетко выраженными «карманами», 3 — область формирования типичной обработанной поверхности (см. рис. 2)
дится в диапазоне от 7,5 до 10, а средний показатель составляет 8,5, что соответствует тем данным, которые нами изложены выше. Характерно также и то, что разные сочетания абразивов не выделяются в отдельные области, а находятся в общей совокупности данных.
2. Выявлены условия, когда смесь компактов и алмазов одинаковой зернистости при соотношении 50 на 50 в рабочем слое позволяет получить специфический профиль микронеровностей обрабатываемой поверхности с необычно высокими показателями шага микронеровностей и наличием так называемых «карманов». Рекомендуется использовать такую смесь абразивов в хонинговальных брусках для процесса плосковершинного хонингования, что позволит при необходимости получать поверхность с «карманами» для смазывающих веществ.
3. Проведенные исследования позволяют выявить пути направленного формирования необходимого микрорельефа обработанной поверхности введением различных абразивов в рабочий слой кругов для торцового шлифования.
Перечень ссылок
1. Демкин Н. Б. Качество поверхности и контакт деталей машин / Н. Б. Демкин, Э. В. Рыжов. — М. : Машиностроение, 1981. — 244 с. Рыжов Э. В. Влияние технологических факторов на параметры шероховатости при шлифовании кругами из сверхтвердых материалов / Э. В. Рыжов, Н. Я. Корж // Микрогеометрия и эксплуатационные свойства машин. — Рига : Зинатне, 1983. — С. 5—10. Лавриненко В. И. Шероховатость обработанной поверхности : закономерности формирования и взаимосвязь ее параметров при обработке инструментом из СТМ / В. И. Лавриненко // Сверхтвердые материалы. — 2003. — № 2. - С. 58-67.
Поступила в редакцию 02.07.2010
2.
3.
достичь производительной безприжоговой обработки быстрорежущей стали. Вместе с тем, выявлено, что именно при такой смеси в кругах возможно достичь снижения шероховатости обрабатываемой поверхности и специфического профиля микронеровностей, когда образовываются так называемые «карманы».
Выводы
1. Анализ параметров микронеровностей обработанных поверхностей для четырех случаев сочетания абразивов в рабочем слое шлифовальных кругов показал, что при шлифовании быстрорежущих сталей соотношение Rmax/Ra нахо-
Лавршенко B.I., Солод В.Ю., Скрябш В.О., Лещук I.B. Формування мшронер1внос-тей оброблювано! поверхш при шл1фувант кругами з нтм ¡з сполученням рвних абра-зив1в у робочому шар1 кругу
В данш cmammi розглядаються питания формування м^кронер^вностей на оброблю-ванш поверхш при шлiфувaннi кругами з надтвердих мamерiaлiв з урахуванням сполучення рiзниx aбрaзивiв у робочому шaрi кругу. Показано взаемозв 'язок мiж висотними и крокови-ми параметрами шорcmкоcmi та оcобливоcmi профлю мiкронерiвноcmей при рiзному спо-лученш aбрaзивiв (aлмaзiв та кубiчного ниmрiду бору).
Ключов1 слова: мiкронерiвнicmь, параметр шорсткостi, шлфування, нaдmвердi матер^али.
Lavrinenko V., Solod V., Skrjabin V., Leschuk I. Formation of mikroroughnesses on a processed surface at grinding by wheels from superhard materials taking into account a combination of various abrasives in a working layer of a wheel
In given article questions of formation of microroughnesses on a processed surface are considered at grinding by wheels from superhard materials taking into account a combination of various abrasives in a working layer of a wheel. The interrelation high-rise and stepping parametres of a roughness and feature of a profile of microroughnesses is shown at a various combination of abrasives (diamonds and ^Ье boron nitride).
Key words: microroughness, parametre of a roughness, grinding, superhard materials.
