Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы шлифования твердых сплавов на основе соединений углерода кругами на металлической связке 12
1.1 Твердые сплавы и область их применения 12
1.2 Методы обработки инструментов из твердых сплавов .14
1.3 Выбор кругов для шлифования 18
1.4 Выбор технологических сред 23
1.5 Виды правки шлифовальных кругов на металлической связке 26
1.6 Причины потери работоспособности алмазных кругов на металлической связке 28
1.6.1 Пленочная теория образования засаленного слоя 31
1.6.2 Механизм разрушения алмазного зерна 33
1.6.3 Электрическое разрушение алмазного зерна 34
1.6.4 Адгезионно-диффузионные явления 35
Выводы к главе 1 38
Глава 2 Оборудование и методика экспериментальных исследований ...
2.1 Оборудование экспериментальных исследований 40
2.2 Определение геометрических параметров области шлифования 43
2.3 Зависимость энергии адгезии от эффективной мощности шлифования 51
2.4 Оценка вклада диффузии в образование засаленного слоя .55
Выводы к главе 2 58
Глава 3 Обоснование выбора рациональных параметров электроалмазного шлифования при различных режимах обработки
3.1 Представление электролитической ячейки как элементарного объема.. 59
3.2 Определение геометрических параметров контакта шлифовального круга и обрабатываемой поверхности 60
3.3 Исследование выхода по току для твердых сплавов при различных электрических параметрах комбинированной обработки .62
3.4 Глубина растворения сплава 67
3.5 Выбор режимов самозатачивания по стабилизации эффективной мощности шлифования 73
3.6 Определение величины энергии адгезии элементов твердых сплавов и элементов связки алмазного круга 78
Выводы к главе 3 87
Глава 4 Формирование засаленного слоя при электроалмазном шлифовании с одновременной правкой алмазного круга 90
4.1 Формирование профиля рабочей поверхности шлифовального круга при вскрытии алмазных зерен 93
4.2 Результат контактных процессов между шлифовальным кругом и обрабатываемой деталью 96
4.3 Первичное образование засаленного слоя на поверхности круга 98
4.4 Поведение поверхностной пленки при электрохимической правке .109
4.5 Поведение разупрочненной пленки в зоне шлифования 114
Выводы к главе 4 120
Глава 5 Исследование режущей способности шлифовального круга и качества обработанной поверхности
5.1 Общие положения 122
5.2 Влияние режимов шлифования на режущую способность круга 122
5.3 Планирование и обработка результатов эксперимента 123
5.4 Определение рациональных режимов шлифования 131
5.5 Исследование качества обработанной поверхности твердого сплава 138
5.6 Исследование износостойкости твердосплавных пластин 148 Выводы к главе 5 151 Заключение 152 Список использованных источников
- Выбор технологических сред
- Определение геометрических параметров области шлифования
- Исследование выхода по току для твердых сплавов при различных электрических параметрах комбинированной обработки
- Результат контактных процессов между шлифовальным кругом и обрабатываемой деталью
Введение к работе
Актуальность работы. В машиностроении выполняется большой объем финишных операций, связанных с изготовлением изделий из высокопрочных и труднообрабатываемых материалов. Достигнуть качественных показателей при шлифовании традиционными методами часто невозможно из-за прочностных свойств изделий из этих материалов. Особенно это важно в инструментальном производстве при изготовлении, восстановлении и эксплуатации твердосплавных режущих инструментов.
Среди основных проблем при обработке твердых сплавов следует назвать потерю режущей способности шлифовальных кругов и склонность их к засаливанию. Частично эти проблемы удается решить за счет применения шлифовальных кругов из сверхтвердых материалов на органических связках, так как путем подбора рациональных условий и режимов шлифования, возможно добиться режима самозатачивания. Однако эти режимы часто сопровождаются повышенным расходом дорогостоящего шлифовального инструмента. По разным оценкам износ при этом может составлять от 3 до 8 мг/г. Эту проблему можно решить применением шлифовальных кругов из сверхтвердых материалов на металлических связках. Удельный расход при этом можно сократить до 0,5…1,5 мг/г. Известно, что круги на металлических связках теряют работоспособность практически в первые минуты шлифования по причине засаливания. Поэтому актуальным является изучение механизма образования засаливания и изыскание условий самозатачивания шлифовальных кругов на металлических связках.
Нами предлагается решить обозначенные проблемы за счет применения алмазных кругов на металлических связках, разработки и совершенствования конструкций шлифовальных кругов, а так же комбинированных электроалмазных методов шлифования твердосплавных материалов.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой «Теоретические основы комбинированной электроалмазной обработки высокопрочных и труднообрабатываемых материалов» при финансовой поддержке гранта Минобрнауки РФ в рамках выполнения государственного задания по теме № 927 «Разработка теоретических основ контактного взаимодействия при алмазной обработке новых наноупроч-ненных материалов».
Степень разработанности темы. Эффективности применения кругов из сверхтвердых материалов посвящены работы А.В. Балыкова, Х.М. Рахимянова, В.П. Смоленцева, Ю.В. Димова, Ю.С. Степанова, А.Н. Резникова, Н.И. Веткасова, Г.Г. Винокурова, Г.А. Исхакова, Т.Н. Лоладзе, Г.В. Бокучавы, Л.Л. Мишнаевского, В.А. Носенко, В.В. Райта, В.Н. Белякова, А.Ю. Попова, А.С. Янюшкина, B. Lauwers, K.P. Rajurkar и др. Исследования позволяют утверждать, что шлифование кругами на металлической связке в специальных условиях с использованием электролита при электроалмазном шлифовании повышают эффективность процесса обработки. В частности, применение электрического тока позволяет исключить деформирование обрабатываемой поверхности, снизить силы и температуру в зоне шлифования. Как следствие, исключить или минимизировать фазовые превращения в обрабатываемом материале.
Исследованию процессов засаливания рабочей поверхности шлифовальных кругов посвящены работы А.С. Верещаки, А.А Кошина, Т.Н. Лоладзе, Г.В. Бокуча-вы, Л.Л. Мишнаевского, Л.В. Худобина, А.П. Бабичева, И.Х. Чеповецкого, А.Н.
Унянина, В.Ю. Попова, А.С. Янюшкина и других исследователей. Основной причиной изнашивания шлифовальных кругов, по мнению многих авторов, является износ алмазных зерен, механическое налипание материала, срезанного с обрабатываемого изделия и, как следствие, забивание межзеренного пространства. Другой взгляд на причину засаливания рассматривается как результат адгезионно-диффузионных явлений между шлифовальным кругом и обрабатываемым материалом.
Способам восстановления рабочей поверхности шлифовального круга посвящены работы С.Г. Белова, Н.В. Азаровой, О.Ф. Еникеева, Л.В. Худобина, В.И. Малышева, Л.Я. Попилова, М.Ф. Семко, Н.К. Беззубенко, Э.Б. Михайлуца, В.Г. Юрьева, А.С. Янюшкина, B. Bhattacharya и других авторов рассмотренных работ. Вопрос правки шлифовальных кругов представляется как способ восстановления рабочей поверхности шлифовального круга. При подводе электрического тока в зону, изолированную от области шлифования, процессы шлифования и правки круга могут быть реализованы одновременно. Это дает возможность более рационально использовать шлифовальное оборудование и алмазные круги. Комбинированное электроалмазное шлифование с одновременной правкой шлифовального круга является наиболее перспективным методом обработки твердого сплава, но требует дальнейшего совершенствования и развития.
Цель работы. Расширение технологических возможностей шлифовальных кругов на металлической связке путем реализации комбинированного электроалмазного шлифования с одновременной непрерывной электрохимической правкой шлифовального круга при обработке твердых сплавов.
Задачи исследования:
-
Исследовать механизм образования засаленного слоя на поверхности алмазных кругов на металлической связке.
-
Провести экспериментальные исследования состава и структуры засаленного слоя на поверхности шлифовального круга на металлической связке при финишной обработке поверхности из твердого сплава.
-
Исследовать работоспособность шлифовальных кругов на металлических связках на основе их режущей способности.
-
Разработать рекомендации по выбору механических и электрических режимов при плоском шлифовании твердых сплавов кругами на металлической связке при комбинированном электроалмазном шлифовании с одновременной электрохимической правкой шлифовального круга.
Научная новизна работы:
-
Разработана методика исследования засаливания алмазных кругов на металлической связке с учетом механо-физико-химической природы взаимодействия элементов связки круга и обрабатываемого материала, показывающая доминирующие адгезионные связи при различных способах реализации комбинированного электроалмазного шлифования с одновременной электрохимической правкой круга.
-
Впервые получены функциональные выражения значений энергии адгезии в зависимости от эффективной мощности резания и режимов шлифования.
-
Научно обоснованы критерии режима самозатачивания в условиях осаждения карбидно-оксидных пленок на поверхности шлифовального круга, обеспечивающих постоянство режущей способности и качество обработанной поверхности.
-
Впервые предложен оценочный параметр достижения условий самозатачивания – минимизация эффективной мощности шлифования, позволяющий обеспечить
работоспособность шлифовального круга и рациональный выбор режимов обработки.
Практическая значимость работы:
-
На основе проведенных исследований даны научно-обоснованные рекомендации для промышленной реализации технологии комбинированного электроалмазного шлифования, гарантирующие высокое качество обработанной поверхности, постоянную мощность резания и режущую способность шлифовального круга.
-
Разработаны практические рекомендации для выбора технологических режимов шлифования при финишной обработке твердых сплавов комбинированным электроалмазным шлифованием с одновременной непрерывной электрохимической правкой шлифовального круга, обеспечивающие работу алмазных кругов на металлической связке в режиме самозатачивания.
Работа имеет важное технико-экономическое значение в области металлообработки, в ней изложены новые научно обоснованные технические, технологические решения и разработки, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие страны.
На защиту выносятся:
-
Модель образования и развития засаленного слоя на поверхности шлифовального круга в условиях режима самозатачивания.
-
Результаты исследования механизма образования засаленного слоя на рабочей поверхности шлифовальных кругов с металлической связкой при различных схемах шлифования.
-
Результаты исследования влияния эффективной мощности шлифования на адгезию различных пар контактирующих материалов, обеспечивающие устойчивую работоспособность алмазных кругов на металлической связке.
-
Результаты исследования влияния способа шлифования на режущую способность шлифовального круга и шероховатость обработанной поверхности.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе классических законов физики, химии, электрохимии и электрофизики, основ машиностроения с использованием математического аппарата аналитической геометрии и интегрального исчисления.
Экспериментальные исследования выполнены на плоскошлифовальном станке модели 3Е711, модернизированном под процессы комбинированного электроалмазного шлифования с одновременной электрохимической правкой шлифовального круга. Исследования и обработка результатов проведены с использованием современной техники и компьютерной обработки полученных данных.
Образцы алмазных шлифовальных кругов и обработанные поверхности исследовались с использованием современной аппаратуры: растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO50 со встроенным химическим анализатором, оптического интерферометра Zygo New View TM 7300.
Степень достоверности и апробация работы. Основные научные положения, выводы, сформулированные в диссертационной работе, апробированы, адекватны и подтверждены в результате экспериментальных исследований. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и конференциях с международным участием: «Современные тенденции в науке: новый взгляд», г. Тамбов, 2011 г.; «Инновации технологии и экономики в машиностроении», г. Томск, 2011 г.; «Жизненный цикл конструкционных материа-5
лов (от получения до утилизации)», г. Иркутск, 2011 г.; на итоговой НТК ФГБОУ ВПО «БрГУ» «Естественные и инженерные науки – развитию регионов», г. Братск,
-
г.; «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии», г. Алматы,
-
г.; «Технологическое обеспечение машиностроительных производств», г. Челябинск, 2014 г.; «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2014 г.; на научном семинаре института авиамашиностроения и транспорта ФГБОУ ВПО «НИ ИрГТУ», г. Иркутск, 2015г.; Наукоемкие технологии на современном этапе развития машиностроения, г. Москва, 2016 г., «Механики XXI веку», г. Братск, 2012-2016 гг., на научном семинаре кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «БрГУ», г. Братск, 2016 г.
Практическая значимость полученных результатов. Практические и теоретические исследования, выполненные в диссертационной работе, используются: при чтении лекционных курсов «Основы электрофизических и электрохимических процессов обработки», «Прогрессивные методы и технологии обработки металлов»; при проведении практических занятий «Математическое моделирование в машиностроении» в ФГБОУ ВО «Братский государственный университет». Полученные в данной работе результаты внедрены в производство, используются в технологическом процессе подготовки сборного твердосплавного инструмента. Предложенные рекомендации позволили увеличить период стойкости инструмента в 1,5 раза и снизить шероховатость обработанной поверхности в 2 раза, что подтверждает акт о внедрении.
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 27 печатных работ, из них 8 статей в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов, рекомендованных для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание степени кандидата технических наук, 3 патента на полезную модель, 1 патент на изобретение. Результаты исследования представлены в коллективной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 174 наименований и 5 приложений. Работа представлена на 181 странице, содержит 56 рисунков, 9 таблиц.
Выбор технологических сред
В приспособлении закреплена обрабатываемая деталь, которая в этом случае является анодом, а алмазный круг катодом. В результате формируется первая цепь, предназначенная для анодного растворения поверхностного слоя детали – цепь травления [82, 84].
Для обеспечения поддержания работоспособности алмазного круга необходимо обеспечить условия для непрерывного восстановления режущей способности шлифовального круга в процессе обработки. Для этого формируется вторая цепь – цепь правки. На защитном кожухе размещается правящий катод с возможностью регулирования межэлектродного промежутка, который обеспечивает непрерывную правку поверхности круга. С помощью винтов между катодом и кругом устанавливается зазор от 0,01 до 0,05 мм. Система подачи охлаждающей жидкости обеспечивает подвод электролита в зону правки и травления одновременно. В качестве охлаждающей жидкости использовался электролит следующего состава: азотнокислый натрий NaNO3 – 3%, азотистокислый натрий NaNO2 – 1%, углекислый натрий Na2CO3 – 0,5%, вода H20 – 95,5%.
Контроль над процессом правки алмазного круга осуществляется блоком управления, который соединен с электродвигателем станка и включен в основную цепь. Во время обработки мощность резания изменяется, блок управления фиксирует это изменение и регулирует плотность тока на правящем катоде, обеспечивая стабильность процесса обработки и правки алмазного круга.
Одним из важных технико-экономических показателей электроалмазного затачивания инструментов является эффективная мощность. Эффективная мощность шлифования измерялась на холостом ходу и при различных режимах обработки. Использовался комплект измерительный К506, позволяющий фиксировать изменение потребляемой мощности. Значение эффективной мощности принято как среднее значение 8…10 показаний. Разность среднего значения измерений общей мощности и значения мощности резания при холостом ходе Nэф=Nоб-Nх.х умножена на одно деление измерительного прибора. Полученные данные мощности шлифования использовались для определения значения энергии адгезии пар элементов, входящих в состав, как шлифовального круга, так и обрабатываемого материала. Для сравнения влияния методов шлифования на энергию адгезии, пластины обрабатывались с помощью электроалмазного шлифования, с использованием правки шлифовального круга и электроалмазным методом с одновременной непрерывной электрохимической правкой шлифовального круга. Исследования выполнены с использованием современной техники и компьютерной обработки полученных данных.
В работах [67, 97, 107, 141, 159, 160] установлено, что процесс засаливания формируется при определенных технологических режимах шлифования, причем их выбор зависит от вида обрабатываемого материала и типа шлифовального круга. Реализация метода электроалмазного шлифования с одновременной правкой шлифовального круга позволяет варьировать технологические параметры процесса. При проведении экспериментов параметры изменялись в следующих пределах: плотность электрического тока, подаваемого в область шлифования iтр=10…60 А/см2, плотность тока в области правки iпр=0,1…0,6 А/см2, скорость резания V=35 м/с, глубина шлифования t=0,01…0,04 мм и скорость продольной подачи S=1,5…2,5 м/мин.
Для оценок процесса шлифования (скорость механического резания, длительность работы шлифовального круга и т.д.) несущественно знать поведение отдельно взятой элементарной частицы, а достаточно оперировать некоторыми усредненными по элементам круга характеристиками.
В свою очередь для описания электрохимических явлений необходимо изучение локально происходящих процессов. В процессе электроалмазного шлифования преобразование химической и электрической энергии происходит в электролитической ячейке, конфигурация которой зависит от формы обрабатываемой заготовки и вида шлифовального круга. Для рассмотрения появления и изменения засаленного слоя на поверхности круга условно выбран некоторый элементарный объем V. Этот элементарный объект, находясь во взаимодействии с обрабатываемой заготовкой, представляет собой электролитическую ячейку (рисунок 2.2). Электролитическая ячейка при этом состоит из анода - обрабатываемой заготовки, катода – металлической связки шлифовального круга и электролита в межэлектродном промежутке. Для расчета времени существования электролитической ячейки и для расчетов различных характеристик электрохимических реакций в электролитической ячейке, образованной контактирующими поверхностями, необходимо определить реальную длину пути, пройденного элементарным объемом V, как отдельной ячейкой в области шлифования.
Схема электролитической ячейки 1 - связка круга (катод), 2 – межэлектродное пространство, 3 – поверхность заготовки (анод), 4 – алмазные зерна Математическое описание модели формирования и преобразования засаленного слоя на микроуровне достаточно сложно. Электрохимические процессы, происходящие при комбинированном электроалмазном шлифовании, рассматриваются на уровне ионных взаимодействий.
По отношению к масштабам шлифовального инструмента и размерностей параметров шлифования масштабы образованных продуктов электрофизических, электрохимических процессов (образованные карбиды, новые соединения, свободные электроны, ионы) имеют масштабы меньшей размерности. Поэтому для детального описания состояния засаленного слоя необходимо учитывать одновременно закономерности электрохимических, электрофизических явлений на микроуровне и их взаимосвязь с режимами шлифования [65].
На рисунке 2.3 представлена схема для определения а - угла, образованного начальным и конечным положением отдельно взятого алмазного зерна в начале работы зерна и при выходе из заготовки относительно точки А как точки закрепления оси шлифовального круга. Схематически точками Мн и Мк показаны положения электролитической ячейки при входе и выходе из области шлифования. На данной схеме представлена ситуация, когда продольная подача не учитывается. Фактически, дуга контакта - это часть окружности, как пути движения алмазных зерен шлифовального круга.
Определение геометрических параметров области шлифования
В условиях, когда алмазные зерна частично скрыты под засаленным слоем, площадь контакта алмазных зерен с обрабатываемой поверхностью уменьшается. Это приводит к снижению режущей способности алмазного инструмента. Следовательно, для увеличения производительности необходимо увеличить прижимающее усилие Ру [57, 59, 75, 76, 97]. В связи с тем, что адгезия является одной из основных причин появления засаленного слоя на поверхности шлифовального круга, существует прямая зависимость между энергией адгезии и прижимающей силой Ру.
Имеются исследования, в которых установлена зависимость удельной силы Ру, Н/см2, прижимающей круг к обрабатываемой поверхности от плотности тока правки шлифовального круга inp, А/см2 [7, 141, 97]. При inp=0 сила Ру имеет максимальное значение. В этих условиях значительная доля сошлифованного материала остается на поверхности шлифовального круга, круг засаливается. С увеличением плотности тока и уменьшением значения радиальной силы количество осажденного на круг материала уменьшается. Это свидетельствует о том, что величина адгезии зависит от силы и плотности тока правки iпр.. При некотором пороговом значении тока iпр=i0 режим обработки стабилизируется, то есть дальнейшее увеличение значения Ру не вызывает необходимости увеличения тока, и круг работает в режиме самозатачивания.
Для оценки влияния величины плотности тока на энергию адгезии использованы результаты экспериментов по установлению режима самозатачивания круга и по определению критериев оценки его работы при шлифовании различных групп твердых сплавов различными методами. Из литературы [152] известна формула, которая дает возможность определить значение энергии адгезии в зависимости от величины плотности тока при известных значениях радиальной силы. Fjl_4l_P l]0 i io; Fi I 4 PJ o a()= (219) где Py - удельная радиальная сила; i - плотность тока; i0 - пороговое значение плотности тока, при котором режим обработки стабилизируется. Следует отметить, что реализация данной формулы требует специальной оснастки, с помощью которой можно определить прижимающую силу только в лабораторных условиях. В реальных производственных условиях использование предложенных рекомендаций (например, отмеченных в работах [75, 99]), представляет определенные сложности. Поэтому считаем целесообразным сформировать рекомендации для условий производства с использованием эффективной мощности резания Nэ. Основная доля эффективной мощности (98-99%) при плоском шлифовании приходится на тангенциальную составляющую и определяется по формуле [139]: N3=PsKV, (2.20) где Р - нормальная составляющая удельной силы Ру , Н/см2; V - скорость резания, м/с; sK- площадь контакта шлифовального круга и обрабатываемой детали см2. Тогда с учетом вклада нормальной составляющей в значение удельной силы для плоского шлифования справедливо соотношение, показывающее линейную зависимость между мощностью и силой (2.21): N3=0,98PysKV. (2.21) Из формулы (2.21) следует, что при фиксированных заданных технологических параметрах шлифования, эффективная мощность шлифования пропорциональна удельной силе. Поэтому отношения минимальных к максимальным величинам удельной силы и эффективной мощности равны.
В приведенной формуле Nэmax -значение эффективной мощности при шлифовании без использования тока правки. Максимальное значение эффективной мощности фиксируется при полном засаливании рабочей поверхности шлифовального круга. Nэmin - обозначено значение эффективной мощности шлифования, при котором реализуются условия для самозатачивания шлифовального круга. Это становится возможным при значении тока правки i=i0. Формула (2.23) позволяет определить значения энергии адгезии пар взаимодействующих материалов при наличии электрического тока, разупрочняющего поверхность с учетом максимального и минимального значений эффективной мощности при шлифовании. Формула учитывает как наличие электрического тока, так и наличие микротрещин на поверхности обрабатываемого материала. После удаления припуска с поверхности обрабатываемого изделия возможны различные варианты поведения срезанных частиц. Предполагаются возможными ситуации, когда частица прилипает к обрабатываемой поверхности, частица прилипает к поверхности шлифовального круга или частица прилипает к обрабатываемой поверхности и поверхности шлифовального круга одновременно. Засаливания, обусловленного воздействием шлама на шлифовальный круг, не происходит в том случае, когда срезанная частица удаляется из зоны шлифования в отход.
Оценки скорости и длительности протекания реакций, многообразие стадий физического контакта, допущения при описании активационных и релаксационных процессов в зоне контакта, порождают различия в подходах к рассмотрению причин возникновения засаливания шлифовального круга. 2.4 Оценка вклада диффузии в образование засаленного слоя
Определенный вклад в образование засаленного слоя вносит диффузия. В некоторых случаях диффузионные процессы могут привести к хрупким соединениям, что не способствует засаливанию круга, так как данные образования могут разрушиться и удалиться из круга при шлифовании. Образование прочных соединений, согласно диффузионной гипотезе, возможно в результате нормальных металлических связей в результате деформаций, особенно при повышенной температуре и сближении контактных поверхностей. С позиции данной гипотезы, возможно растворение в тонком слое металлов и других элементов, которые в обычных условиях не растворяются друг в друге.
В основе механизма диффузии лежат процессы миграции дефектов кристаллической решетки: перескок атомов через междоузлия в соседнюю решетку, переход атомов в междоузельное пространство или переход атома из структурного местоположения в узле в места свободных вакансий.
Чтобы выяснить роль диффузии в процессе засаливания, рассмотрена задача о диффузионном взаимодействии материла частицы, прилипшей к поверхности шлифовального круга (по не определенным пока причинам) и его связки. Уравнение диффузии в трехмерном случае имеет вид [152]:
Исследование выхода по току для твердых сплавов при различных электрических параметрах комбинированной обработки
Для сплавов ВК3, Т15К6 и ТН20 наибольший выход по току обеспечивает iтр=20 А/см2. Для этих сплавов увеличение тока травления от 20 до 30 А/см2 незначительно снижает выход по току. Для сплава ТН20 исследуемая величина уменьшается на 14%, для ВК3, Т15К6 – на 17%. Для сплава ТМ3 наибольшую величину выхода по току обеспечивает iтр=30 А/см2. Увеличение тока травления еще на 30 А/см2 снижает выход по току на 20%.
Важно отметить, что на обрабатываемой поверхности образуются окисные пленки, что также препятствует электрохимическому растворению обрабатываемого материала. Согласно полученным результатам, наиболее рациональным для обеспечения интенсивности электрохимического растворения обрабатываемой поверхности можно считать iтр=20 А/см2 для сплавов ВК3, Т15К6 и ТН20 и iтр=30 А/см2 для сплава ТМ3. 3.4 Глубина растворения сплава
Объем материала, снятого с поверхности в результате комбинированного электроалмазного шлифования, состоит из механически срезанного алмазными зернами и растворенного в электролите. Точность формообразования, необходимая механическая и электрохимическая скорость съема материала, обеспечение условий самозатачивания шлифовального круга, зависят от правильно заданных параметров электроалмазной обработки.
Реализация комбинированного электроалмазного шлифования позволяет рационально использовать электрические явления для анодного растворения поверхности обрабатываемого материала путем подбора задаваемых механических параметров шлифования.
Одним из параметров, характеризующих количественные показатели электрохимической обработки при выполнении требований, предъявляемых к качеству обработанной поверхности, является глубина растворенного вещества – металла или сплава. Этот параметр может служить мерой вклада электрохимического съема в общий объем сошлифованного материала. С учетом времени, затраченного на растворение поверхности обрабатываемого материала, глубины шлифования, скорости движения по дуге контакта, определенного по формуле (2.13) для определения глубины растворенного вещества h использовалась формула (2.18).
Для диапазона чистовой обработки алмазным кругом для шлифования твердых сплавов рекомендуемыми режимами являются: глубина шлифования в диапазоне t=0,01…0,04 мм, скорость резания Vкр= 35 м/с, используются круги радиусом R=130 мм [79, 105, 154, 150].
В таблице 3.3 приведены значения электрохимических эквивалентов и плотностей исследуемых твердых сплавов, использованных в теоретических расчетах [70, 107]. Таблица 3.3 - Характеристики твердых сплавов
Для рекомендуемых в литературе значений плотности тока травления imp при комбинированном электроалмазном шлифовании получены результаты глубины растворенного слоя обрабатываемой поверхности для твердых сплавов ВК3, Т15К6, ТМ3, ТН20. Результаты расчетов глубины растворенных сплавов представлены в таблице 3.4.
Из полученных результатов следует, что сплавы Т15К6 и ВК3 имеют сходные значения глубины растворенного слоя. Это связано с тем, что оба сплава имеют одинаковую кобальтовую связку. Сплав ТМ3 лучше всего поддается электрохимическому растворению благодаря большому содержанию в связке круга никеля, имеющего высокий электрохимический эквивалент.
Глубина растворенного слоя существенно зависит от глубины шлифования t. С увеличением t согласно формуле (2.18) увеличивается время электрохимического воздействия на единицу поверхности. Необходимо отметить, что h=h(t) не является линейной зависимостью.
Согласно результатам расчетов, увеличение глубины шлифования t в два раза (от 0,01 до 0,02) приводит к увеличению растворенного слоя h в 1,2 -1,4 раза. А при увеличении t в 4 раза (от 0,01 до 0,04) - приводит к увеличению h в 1,7 - 2 раза в зависимости от величины плотности тока травления.
Наглядно зависимость величины растворенного слоя твердых сплавов от плотности тока травления показана на диаграммах (рисунки 3.3-3.6).
Необходимо отметить, что найдена величина слоя, растворенного в электролите за один оборот шлифовального круга вокруг оси закрепления.
Результат контактных процессов между шлифовальным кругом и обрабатываемой деталью
Выходя из зоны воздействия постоянного тока не прореагировавшие ионы, в дальнейшем процессе инициаторы образования новых, не характерных соединений для материалов круга и детали, могут сохраняться в порах оставшейся матрицы, структура которой состоит из не удаленных с поверхности круга элементов и продуктов электролиза. Элементы связки растворяются с образованием простых катионов Meя+. Ионы Meя+ связываются гидроксид-ионами OH-, полученными из среды электролита и образуют рыхлые осадки гидроксидов, которые удаляются из межэлектродного промежутка потоком электролита. Кроме этого, они образуют кислородсодержащие анионы [19, 58, 140, 146].
На поверхности алмазного круга происходит мгновенное образование оксидной пленки вследствие адсорбции окислителя на поверхности металла и образование хемосорбированной пленки кислорода. В дальнейшем пленка переходит в состояние оксида металла. Рост пленки возможен, если обеспечивается доступ электролита к металлу связки круга, находящемуся под пленкой.
Большинство металлов взаимодействуют с кислородом воздуха с образованием стабильных оксидов металлов. Небольшое число тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден, становятся хрупкими и при высоких температурах образуют летучие оксиды. Поэтому защитный оксидный слой на них не образуется. Тяжелые металлы, такие как медь, железо, никель, входящие в состав металлической связки, образуют непористые оксиды, которые не всегда защищают металл, несмотря на то, что не растрескиваются. Но в решетке оксида отсутствующие атомы образуют вакансии [108]. Вследствие этого атомы диффундируют сквозь решетку, и оксидный поверхности связки отсутствуют внутренние напряжения, так как круг еще не подвергался механическим нагрузкам. 4.2 Результат контактных процессов между шлифовальным кругом и обрабатываемой деталью При реализации слой постоянно увеличивается.
Важным является тот факт, что на данном этапе на поверхности алмазных зерен и на комбинированного алмазного электрохимического шлифования в области взаимодействия алмазного круга и обрабатываемой детали производится разупрочнение заготовки и ее механическое шлифование алмазными зернами. Происходит анодное растворение в электролите кобальтовой связки твердого сплава с образованием свободных электронов, положительных ионов, сконцентрированных у поверхности анода.
Известны исследования поверхностей, обработанных электрохимическим травлением током с плотностью iтр=5…15 А/см2 [7, 150, 157]. Они показали, что глубина растворенной кобальтовой связки составляет 30-75% величины карбидных зерен. Это свидетельствует о том, что величина ослабленной, разупрочненной поверхности соизмерима с размерами карбидных зерен. В главе 3 приведены результаты расчетов, показавшие, что при электроалмазном шлифовании глубина растворенного слоя сплава составляет от 310-3 до 510-2 мкм в зависимости от режимов шлифования. При этом во внешних слоях обрабатываемого материала образуется скелетная структура из карбидов металла, которая впоследствии частично удаляется путем вымывания электролита или механически под воздействием центростремительной силы вращения круга.
Приложенные динамические усилия при шлифовании способствуют накоплению напряжений на вершинах алмазных зерен. Многократное увеличение изображения алмазных зерен показывает, что поверхность искусственных алмазов имеет несовершенную форму. Несовершенство кристаллической решетки алмаза служит причиной существования точечных дефектов и оказывает влияние на его электрические свойства. На рисунке 4.4 видно разрушение кристалла алмаза.
Подобное явление возможно объяснить наличием на поверхности алмазного зерна неоднородности структуры. Трещины и поры являются концентраторами напряжений и, так как у кристалла нет возможности к пластической деформации, на краях трещин накапливаются достаточно высокие концентрации энергий. В поле электрического тока и в поле высоких температур, возможно закритическое напряжение на краю трещины, которое могло спровоцировать пробой через мельчайшие налипы на алмазных зернах и привести к разрушению части зерна алмаза.
При исследовании поверхности шлифовального круга на многочисленных зернах обнаружены кратеровидные углубления. Природа их появления недостаточно ясна. Возможно, кратеры могли образоваться как в процессе непосредственного производства кристаллов, так и в процессе эксплуатации, а также в результате эрозии или электрического пробоя [153].
Из-за высоких температур в области шлифования можно предположить релаксацию напряжений, как на вершинах алмазных зерен, так и в местах закрепления зерен в связке. Это объясняет тот факт, что в месте закрепления алмазного зерна в связке не происходит адгезионного взаимодействия поверхности шлифовального круга и материала шлифуемой детали. На начальном этапе шлифования, в процессе входа в зону взаимодействия обрабатываемого материала и шлифовального круга, работа производится кругом с недеформированной поверхностью связки круга и неизмененной структурой алмазного зерна.
Необходимо отметить, что зерно, наиболее возвышающееся над поверхностью круга, при входе в указанную зону, испытывает динамический удар, ослабляющий его закрепление в связке круга. Поэтому самые «высокие» зерна в первые мгновенья своей работы в составе электролитической ячейки выполняют работу по механическому съему материала более интенсивно, чем остальные. При этом происходит интенсивное изнашивание поверхности алмазного зерна, его затупление и последующий нагрев. Зерна, менее выдающиеся над связкой, являющиеся основными составляющими рабочего объема работающей электролитической ячейки, также деформируют обрабатываемую поверхность. В процессе шлифования происходит непосредственный контакт поверхностного слоя круга с обрабатываемым материалом и взаимодействие их с естественной средой и с электролитом. При этом создаются специфические условия для протекания сложнейших механических и химических процессов и реакций. Тем не менее, ввиду чрезвычайно малого времени взаимодействия (410-5…910-5с) [65] и изменений локального характера, изучение микроконтактных процессов в граничных слоях представляет большие трудности.