CC BY
69
УДК 621.923
Федорович1 В.А., Пыжов1 И.Н. , Бабенко1 Е.А., Клименко2 В.Г.
1. Харьков, Украина
2. Полтава, Украина
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация. Приведены результаты теоретико-экспериментальных работ, посвященных разработке и исследованию прогрессивных комбинированных процессов шлифования, обеспечивающих устойчивость процесса обработки труднообрабатываемых материалов, в том числе и поликристаллических сверхтвердых материалов на основе алмаза и плотных модификаций нитридов бора.
Ключевые слова: обрабатываемый материал, комбинированный процесс шлифования, алмазный круг, рабочая поверхность круга, автономная зона, металлическая связка круга, правящий катод, ультразвуковые колебания, межэлектродный зазор.
1. Постановка проблемы. На настоящий момент одним из наиболее используемых методов формообразования лезвийных инструментов и др. изделий из поликристаллических сверхтвердых материалов (ПСТМ) остается шлифование кругами на основе шлифпорошков алмаза. Этот метод имеет широкие технологические возможности и может быть применен для обработки практически любых конструкционных и инструментальных материалов (от сверхмягких до сверхтвердых Ошибка! Источник ссылки не найден.]). В связи с этим изыскание дополнительных возможностей для повышения эффективности этого процесса является актуальной проблемой.
2. Анализ последних исследований и публикаций. Особенностью процесса алмазного шлифования ПСТМ является отсутствие его устойчивости, поскольку он характеризуется периодичностью изменения значений выходных показателей во времени Ошибка! Источник ссылки не найден.], что связано с нестабильностью процесса самозатачивания алмазных зерен круга. В первую очередь это обстоятельство отрицательно сказывается на качестве обработанной поверхности.
Для обеспечения постоянства во времени показателей качества процесса формообразования лезвийных инструментов из ПСТМ необходимо в максимальной степени реализовать на практике условия устойчивого протекания процессов их шлифования. В технической литературе, ориентированной на технологию машиностроения Ошибка! Источник ссылки не найден.], уже имеется сформулированное определение понятия точности и устойчивости технологических процессов и выполнена классификация их по видам устойчивости. При этом устойчивость техпроцесса связывают в первую очередь с точностью механической обработки, которая, как известно, является одним из основных объектов внимания технолога. Глубокий анализ точности технологического процесса возможен только на основе статистического исследования того размера, который формируется данным технологическим процессом.
По устойчивости технологические процессы можно разделить Ошибка! Источник ссылки не найден.] на полностью устойчивые, устойчивые по рассеиванию и неустойчивые (рис. 1).
УКРУПНЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ПО УСТОЙЧИВОСТИ
ПОЛНОСТЬЮ УСТОЙЧИВЫЕ УСТОЙЧИВЫЕ ПО РАССЕИВАНИЮ НЕУСТОЙЧИВЫЕ
1
Jf=C0NST AVC0NST AVC0NST
5 =CONST S =CONST S ?CONST
(ПРИ БОЛЬШИХ ВЫБОРКАХ ИЗДЕЛИЙ)
Рис. 1. Укрупненная классификация технологических процессов обработки по устойчивости
Полностью устойчивые процессы те, в которых за время изготовления изделий (большая выборка) значения числовых характеристик размера детали (среднего арифметического X и выборочного среднего квадратического отклонения S ) остаются неизменными. Процессы, устойчивые по рассеиванию сохраняют постоянной только характеристику рассеивания X , а среднее арифметическое S изменяется. Если X и S меняются во времени, то такие процессы называются неустойчивыми.
Приведенная классификация технологических процессов по характеру поведения во времени числовых характеристик размера - это классификация с математической точки зрения.
3. Цель исследования. Целью настоящей работы является изыскание путей стабилизации комбинированного процесса шлифования и решения на этой основе проблемы формообразования лезвийных инструментов и изделий из ПСТМ.
4. Основные материалы исследования. Классический подход в технологии машиностроения состоит в том, что в производстве не должно быть неустойчивых технологических процессов. Однако на практике имеется много технологических процессов устойчивых по рассеиванию, у которых центр группирования смещается в процессе обработки в основном за счет износа режущего инструмента, но характеристика рассеивания остается неизменной Ошибка! Источник ссылки не найден.].
Применительно к формообразованию лезвийных инструментов из ПСТМ (и особенно на основе алмаза), обладающих уникальными физико-механическими свойствами и в первую очередь самой высокой в природе микротвердостью, говорить о полной устойчивости по точности сложно ввиду аномально высоких значений размерного износа инструмента второго порядка (линейного износа алмазных кругов) . Это не позволяет при работе на предварительно настроенных станках [5] выполнить условие X =const. Поэтому речь может идти об устойчивости по рассеиванию ( S=const). Однако применительно к качеству обработанной поверхности можно говорить и о полной устойчивости.
Известно Ошибка! Источник ссылки не найден.], Ошибка! Источник ссылки не найден.], что довести техпроцесс до устойчивого состояния можно, выдержав следующие требования (рис. 2):
- устранив нестабильность показателей точности станка;
- получив стабильные по точности и физико-механическим свойствам заготовки;
- достигнув стабильности работы инструмента.
В данной работе рассматривается понятие технологической устойчивости. Речь идет о создании условий для обеспечения устойчивости выходных показателей процессов шлифования, которые являются основой проектируемых технологических процессов изготовления изделий из ПСТМ.
С учетом того, что один из основных факторов, обеспечивающих технологическую устойчивость, связан со стабильностью работы алмазного круга, эти условия сформулированы следующим образом:
- создание условий для обеспечения технологической устойчивости процесса шлифования еще на этапе спекания алмазоносного слоя круга (который сопровождается высокими значениями силовой и тепловой напряженности) путем сохранения его неизменной характеристики;
-обеспечение непрерывности процесса самозатачивания алмазных зерен в процессе шлифования;
- обеспечение высокого уровня износостойкости режущего рельефа алмазного круга;
- наличие высокоэффективных способов управления режущим рельефом и профилем алмазных кругов и устройств для их осуществления;
- использование автоматической следящей системы для надежного поддержания постоянства во времени параметров, характеризующих состояние РПК.
С целью установления физических особенностей в зонах контакта покрытого зерна со связкой и обрабатываемым ПСТМ и выявления на этой основе возможных резервов процесса шлифования были выполнены теоретико-экспериментальные исследования НДС системы «связка круга - алмазное зерно - рельефное толстослойное покрытие - обрабатываемый материал» с учетом наличия металлофазы в зерне. Расчеты показали, что наличие металлического покрытия на алмазном зерне вносит существенные коррективы в НДС этой системы Ошибка! Источник ссылки не найден.].
Установлено, что важную роль в обеспечении технологической устойчивости играют толстослойные рельефные металлические покрытия на алмазных зернах. 3D анализ напряженно-деформированного состояния показал, что их наличие на алмазном зерне при тех же условиях термосилового нагружения системы существенно уменьшает величину напряжений на границе «зерно-связка». Это можно объяснить значительным увеличением поверхности контакта покрытого зерна со связкой круга, что в свою очередь является подтверждением факта лучшего удержания зерен в связке, а, следовательно, повышения их режущего ресурса. С другой стороны покрытие способствует сохранению целостности алмазного зерна при спекании, что в свою очередь является одним из факторов обеспечения стабильности процесса шлифования.
Установлено, что появление площадок износа на вершинах зерен согласно реализации явления при-спосабливаемости снижает и впоследствии полностью исключает ощутимый съем объемов поликристалла Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Для обеспечение непрерывности процесса самозатачивания алмазных зерен в процессе шлифования и высокого уровня износостойкости режущего рельефа алмазного круга необходимо выполнить одно из основополагающих условий. Оно заключается в создании условий для непрерывного самозатачивания круга при условии, что высота выступания зерен над уровнем связки имеет некое минимальное значение. При этом в контакте с ПСТМ будет находиться максимальное количество алмазных зерен. Другими словами таким способом можно регулировать величину их концентрации, а, следовательно, и износостойкость режущего рельефа круга.
В связи с этим нами предложена идея Ошибка! Источник ссылки не найден.] сочетания способов непрерывного электрохимического удаления связки с рабочей поверхности круга (РПК) и ультразвукового воздействия на алмазные зерна Грабченко А.И. Особенности использования микропорошков алмаза в кругах на металлических связках / А.И. Грабченко, В.Л. Доброскок, И.Н. Пыжов,
B. А. Федорович // Збiрник наукових праць «Над^н^ть ^струменту та оптимiзацiя технолотчних систем» / Донбаська державна машинобудiвна академiя.-Краматорськ: ДДМА, 2010.- випуск 27. -
C. 3-11.], эффект от которого в условиях высокоскоростного контактного взаимодействия двух высокотвердых материалов проявляется наиболее ярко Ошибка! Источник ссылки не найден.].
Для обеспечения требуемого соответствия скоростей износа режущего рельефа и электрохимического удаления связки круга, которое можно считать основополагающим в плане практической реализации условий, обеспечивающих технологическую устойчивость, необходимо использовать схему автоматического поддержания плотности технологического тока в цепи управления режущим рельефом круга на металлической связке Ошибка! Источник ссылки не найден.].
В то же время ультразвуковые колебания позволяют не только исключить образование на алмазных зернах площадок износа, но и обеспечить непрерывное формирование на них микро - и субмикрорельефа Ошибка! Источник ссылки не найден.], что в конечном итоге позволяет обеспечить высокую интенсивность съема припуска.
Таким образом, методология управления режущими свойствами кругов в процессе шлифования должна базироваться на формировании и поддержании в течение всего периода обработки энергетически неустойчивых состояний зерен и их структуры путем дозированного воздействия, направленного на предотвращение топографической и структурной приспосабливаемости рабочей поверхности алмазных кругов. Достичь этого выбором характеристики кругов и режимов шлифования практически невозможно.
Принудительное формирование режущего субмикрорельефа алмазных зерен. Поскольку главной причиной потери режущих свойств алмазными кругами при шлифовании ПСТМ является массовое образование на зернах площадок износа Ошибка! Источник ссылки не найден.], основным способом повышения эффективности процесса является формирование на зернах необходимых параметров микро - и субмикрорельефа.
Предварительные исследования процесса шлифования с переменным давлением в контакте в условиях управления режущим рельефом кругов показали его высокие перспективы даже при низких частотах прикладываемой нагрузки (таблица, условия обработки: круг 12A2-450 150х10х3х32 АС6 160/125 М1-01 100 %, Vk = 20м/с; S =1м/мин; I =70А; Sk =2 0мм2): 1)-шлифование с постоянным давлением в контакте Рпост.=70Н (Рдоп. = 0); 2)-шлифование с постоянным давлением Рдост. = 100Н (Рдоп. = 0); 3)-шлифование с переменным давлением в контакте Рпост.=30Н, Рдоп. = 40Н (Рсум.=70Н, f =5Гц; A =6мм). При этом производительность процесса Q возрастает, а значения удельного расхода и удельной себестоимости снижаются примерно в два раза.
Таблица - показатели различных способов шлифования СКМ-Р
Способ Значения выходных показателей
обработки Q, мм3/мин | q, мГ/мм3 | Cуд. коп/мм3
1 2,3 73 125
2 3,5 44 85
3 4,3 35 70
Эти данные в частности свидетельствуют о том, что в условиях взаимодействия двух материалов, имеющих предельную твердость, именно переменная нагрузка на алмазные зерна способна эффективно обеспечивать непрерывность процесса их самозатачивания, что, как отмечалось выше, является основополагающим условием стабилизации процесса обработки в целом.
В связи с изложенным было выдвинуто предположение о том, что в условиях непрерывного электрохимического удаления связки круга наиболее целесообразно управлять формированием субмикрорельефа на зернах круга с помощью ультразвуковых колебаний, что можно реализовать как в зоне обработки, так и в автономной зоне. В первом случае в качестве ударника выступает сам обрабатываемый ПСТМ (рис. 2), а во втором специальный инструмент-ударник, например, с прочными и мелкими алмазными зернами.
Наиболее эффективным представляется способ ультразвукового шлифования, но только не с продольными колебаниями, как это обычно принято для улучшения качества обработки Ошибка! Источник ссылки не найден.], а с поперечными, создающими дополнительные ударные нагрузки в контакте «зерно-ПСТМ». Это с одной стороны интенсифицирует процесс съема припуска, а с другой обеспечивает процесс формирования на поверхностях износа зерен режущего микро - и субмикрорельефа. Естественно, такой способ эффективен только в тех случаях, когда дополнительная энергия ультразвука, вводимая в зону шлифования, не будет приводить к образованию дефектного слоя в процессе ультразвукового шлифования.
Многочисленные модельные эксперименты показали высокую эффективность формирования на зернах субмикрорельефа как фактора одновременного повышения как производительности процесса шлифования ПСТМ, так и коэффициента использования алмазных зерен, т. к. алмазное зерно остается активно работающим в течение более продолжительного времени.
Экспериментально установлено, что применительно к обработке ПСТМ на основе алмаза использование энергии ультразвука в сочетании с непрерывной электрохимической правкой круга позволяет до семи раз повысить производительность шлифования при одновременном снижении удельного расхода алмазов круга до десяти раз.
Рис. 2. Схема способа алмазного шлифования с управлением РПК:
1 - алмазный круг; 2 - токосъемник; 3 - источник питания; 4 - правящий катод; 5 - устройство ультразвукового правки 6 - ПСТМ
Это объясняется тем, что в работе участвует предельно возможное количество зерен круга, а оптимальное значение силы в цепи управления сдвигается в большую сторону (с 55 до 100А).
Выполненные исследования позволили разработать автоматическую систему непрерывного поддержания режущего рельефа и профиля круга в требуемом состоянии практически на протяжении всего периода работы круга. Это особенно важно в случае применения сложнопрофильных кругов. В основу этого способа положено пять главных принципов: 1) -применение токопроводящих кругов на основе
микропорошков алмаза, в результате чего обеспечивается возможность реализации малых значений межэлектродного зазора (МЭЗ); 2) - использование кругов с предварительно сформированным профилем, что позволяет считать площадь в зоне управления величиной постоянной; 3) - обеспечение равновесного МЭЗ перед началом управления РПК за счет правки ЭИ новым кругом на обратной полярности; 4) - учет факта возможного изменения электропроводности электролита в процессе формообразования путем использования датчика электропроводности электролита; 5) -использование автоматической следящей системы.
Схема способа представлена на рис. 3. Его характерная особенность заключается в том, что перед формообразованием токопроводящего круга на основе микропорошков алмаза (уже имеющего заданный точный профиль) включают «обратную» полярность (круг - «-», а катод - «+») источника питания 6 и с помощью этого круга подправляют рабочую поверхность катода, предварительный профиль которой близок к своему окончательному состоянию.
При этом режимы правки катода 2, установленного на направляющих 5, аналогичны рабочим режимам правки круга 1. Это позволяет решить две важные задачи: во-первых, получить необходимый
профиль катода (который расчетным методом получить довольно сложно) с одновременной компенсацией различного рода погрешностей (например, погрешность установки), а во-вторых, обеспечить равновесный МЭЗ.
Рис. 3. Схема способа алмазного шлифования с управлением РПК с автоматической следящей системой
Затем осуществляют рабочий процесс правки круга на «прямой» полярности, для чего используется реверсивный переключатель 7. Особенностью этого способа является то, что, во-первых, в процессе правки катода устанавливается МЭЗ, имеющий одинаковую электрическую проводимость, а, следовательно, и одинаковую плотность тока практически в любой его точке. По мере износа круга этот зазор поддерживается неизменным с помощью реверсивного электродвигателя 3, управляемого блоком автоматики, с помощью пары «винт-гайка», что также не допускает возможности искажения профиля рабочей поверхности катода в результате его соприкосновения с кругом.
Как видно из рисунка, правка круга производится в автоматическом режиме. Еще одной важной особенностью данного способа является то, что в электрическую схему введен датчик электропроводности электролита 11, что позволяет существенно повысить надежность процесса. Сигналы от шунта 9 и источника стабилизированного напряжения 8 сравниваются в устройстве 10. Результирующий сигнал поступает в сумматор 12, где корректируется в зависимости от величины сигнала с датчика 11. Это продиктовано тем, что как уже отмечалось выше, с изменением температуры электролита меняется его электропроводность, а, следовательно, и плотность технологического тока. В противном случае обычный блок автоматики отреагирует на этот факт изменением величины МЭЗ, что в свою очередь нарушит точность профиля круга.
Результирующий сигнал с блока 12 усиливается усилителем 13 и в зависимости от полярности этого сигнала, электродвигатель вращается в одну или другую сторону, поддерживая (по мере износа круга и изменения электропроводности электролита) величину МЭЗ в заданных пределах. Практика использования предложенного способа в производственных условиях подтвердила его высокую эффективность.
Выводы и перспективы развития. Таким образом, проведенные исследования позволили в значительной мере решить проблему обработки труднообрабатываемых материалов, в том числе и поликристаллических сверхтвердых материалов на основе алмаза и плотных модификаций нитридов бора. В дальнейшем представляют интерес исследования напряженно-деформированного состояния системы «ПСТМ - алмазное зерно - связка круга» в условиях наложения ультразвуковых колебаний с целью установления на этой основе оптимальных режимов шлифования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грабченко А.И. Расширение технологических возможностей алмазного шлифования / Грабченко
A. И. - Харьков: Вища шк., 1985. - 184 с.
2. Грабченко А.И. Повышение режущей способности токопроводящих алмазных кругов в комбинированных процессах шлифования ПСТМ. / А.И. Грабченко А.И., И.Н. Пыжов, Д.М. Алексеенко // В^ник Сумського державного унiверситету. Серiя «Технiчнi науки», №1, т.1, 2011.-С. 105-116.
3. Гаврилов А.Н. Точность производства в машиностроении и приборостроении / [Гаврилов А.Н., Бородачев Н.А., Абдрашитов Р.М. и др.]; под ред. А.Н. Гаврилова. - М.: Машиностроение, 1973. -5 67с.
4. Сизый Ю. А. Основы научных исследований в технологии машиностроения. Учебн. Пособие / Сизый Ю. А., Сталинский Д. В. - Харьков: УкрГНТЦ «Енергосталь», «Издательство САГА». - 2007. -212 с.
5. Грабченко А.И. Особенности использования микропорошков алмаза в кругах на металлических связках / А.И. Грабченко, В.Л. Доброскок, И.Н. Пыжов, В.А. Федорович // Збiрник наукових праць «Над^н^ть ^струменту та оптимiзацiя технолотчних систем» / Донбаська державна машинобудiв-на академiя.-Краматорськ: ДДМА, 2010.- випуск 27. -С. 3-11.
6. Кумабэ Д. Вибрационное резание. Пер. с яп. С. Л. Масленникова / Под ред. И. И. Портнова,
B. В. Белова. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.
7. Федорович В. А. Способы шлифования с комбинированным управлением режущим рельефом кругов // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Вып. 45. - С. 26-28.
8. Семко М. Ф., Грабченко А. И., Ходоревский М. Г. Алмазное шлифование синтетических сверхтвердых материалов. - Харьков: Вища школа, 1980. - 192 с.
9. Марков И. А. Ультразвуковая обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1980. - 237 с.
10. Ящерицын П.И. Профилирование алмазно-абразивных инструментов пластическим деформированием / Ящерицын П.И., Дорофеев В.Д., Гринин Г.Н. - Саратов: Изд-во Сарат. ун.-та, 1982. - 112 с.
