Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 11
1.1. Обзор различных видов алмазной обработки 11
1.2. Особенности процесса хонингования 13
1.3. Особенности связок инструментов 24
1.4. Способы повышения работоспособности алмазного инструмента...30
1.5. Задачи работы 37
ГЛАВА 2. Методика проведения исследований 39
2.1. Объект исследований, приборы и оборудование 39
2.2. Построение эксперимента 49
2.3 Методика обработки статистических экспериментальных данных.. 53
ГЛАВА 3. Исследование закономерностей и условий формирования качества отверстий 54
3.1. Формирование поверхности отверстия после хонингования 54
3.2. Влияние обрабатываемого материала на условия резания 61
3.3. Влияние обрабатываемого материала (сплава на основе никеля) на износ хона в начальный момент резания 64
Выводы по третьей главе 66
ГЛАВА 4. Особенности процесса хонингования отверстий в сплавах на основе никеля 67
4.1 Особенности изнашивания хонов при обработке сплавов на никелевой основе 67
4.2 Состав шлама при хонинговании сплавов на никелевой основе 71
4.3 Структура шлама 76
Выводы по четвертой главе 78
ГЛАВА 5. Разработка способов достижения точности при хонинговании отверстий в сплавах на основе никеля 79
5.1. Способы обеспечения алмазоудержания при обработки отверстий в сплаве ХН-78Т на операции хонингования 79
5.2. Требования, предъявляемые к связкам алмазных хонов, при обработке сплавов на основе никеля 80
5.3. Роль шлама, образующегося в зоне резания (хонингования), при обработке сплавов на основе никеля и новая конструкция хона для его вывода 82
Выводы по пятой главе 95
6. Выводы по диссертации 96
Список литературы
- Особенности связок инструментов
- Методика обработки статистических экспериментальных данных..
- Влияние обрабатываемого материала (сплава на основе никеля) на износ хона в начальный момент резания
- Структура шлама
Особенности связок инструментов
В машиностроении доля металлорежущих станков для абразивной обработки составляет около 21%. На заводах массового производства увеличивается удельный вес шлифовальных станков. Так, в подшипниковой промышленности он равен 55 — 60%.
Значение обработки металлов шлифованием в ближайшие годы будет непрерывно возрастать. Поэтому весьма важно дальнейшее развитие и усовершенствование процессов шлифования с целью повышения производительности труда, точности обработки, улучшения качества обработанной поверхности. В настоящее время наметились различные пути решения указанной задачи. Так, интенсивно проводятся работы по совершенствованию существующих и созданию новых абразивных материалов, обладающих высокими режущими свойствами. В частности вводится легирование абразивных материалов, уменьшается содержание в них вредных примесей, создаются новые искусственные абразивные материалы (синтетические алмазы, эльбор и др.).
Большое значение имеет также улучшение качества шлифовального инструмента путем создания кругов с ориентированными зернами, металлизации абразивных зерен, применение новых связок, обеспечивающих требуемую структуру инструмента, использование кругов с наполнителями, с внутренним охлаждением.
Высокие результаты дают такие мероприятия, как автоматизация процесса шлифования, травление и компенсация износа круга, измерения размеров обрабатываемой детали непосредственно в процессе обработки, поддержание на необходимом уровне рациональных режимов резания и т. п. алмаз Микротвердость Н. мша
Необходимым условием высокопроизводительного шлифования является использование соответствующего оборудования, повышение его точности, жесткости, виброустойчивости, быстроходности.
Важным резервом в определенных условиях является также применение и развитие новых методов шлифования, таких как электроалмазное шлифование, абразивная обработка деталей в магнитном поле ферромагнитными порошками и другие.
Интенсифицировать процесс шлифования можно применением соответствующей охлаждающей жидкости и системы ее подачи.
Разработка и применение рассмотренных мероприятий является крупным резервом повышения производительности труда и качества продукция машиностроения.
Финишная алмазная обработка в наибольшей мере отвечает возросшим требованиям, предъявляемым к качеству продукции машиностроения и приборостроении. Для современной техники и особенно её новых областей характерны стремительный рост скоростей и нагрузок, повышением требований к надежности и долговечности машин и приборов. Требования к инструменту ещё более ужесточаются из-за того, что для современной техники характерно постоянное повышение точности и снижение шероховатости поверхностей, а от финишных процессов требуется одновременно повышение качества и производительности обработки.
Научно-технический процесс в технологии машиностроения, в настоящие время в основном определяется объемом и уровнем финишной обработки. Именно финишные и прежде всего финишные алмазные процессы (низкотемпературные и малоотходные) позволяют при наименьших съемах материала наиболее активно воздействовать на обрабатываемую поверхность и управлять микрогеометрией и физическим состоянием поверхностных слоев, обеспечивая их максимальную износостойкость.
Однако, эффективность алмазной обработки в значительной степени определяется износом, обусловленным выпадением кристаллов из связки. В результате износа инструмента уменьшается объем алмазного зерна и изменяются условия его закрепления в связке настолько, что прочность сцепления его поверхности со связкой не может удержать его от выпадения под воздействием сил резания [45,67,83,109,115,117,123]. Следует отметить, что чем тяжелее условия эксплуатации алмазного инструмента (бурение горных пород, правка шлифовальных кругов при повышенных режимах), тем большую роль играет износ от выпадения алмаза. По данным работы[119]в правящих алмазных карандашах кристаллы начинают выпадать при их износе на 55-60%.
Методика обработки статистических экспериментальных данных..
Однако для стойкости "дополнительно" приработанных хонинговальных брусков необходимо нанести упрочняющие покрытие. Технологии, связанные с нанесением пленочных покрытий, являются одними из наиболее актуальных направлений получения новых материалов, в том числе наноструктурных. Хорошим примером важности применения тонкопленочных покрытий являются полупроводниковая, оптическая промышленности и водородные технологии в энергетике. Высокие темпы развития этих наукоемких отраслей требуют непрерывного повышения качества и эксплуатационных свойств покрытий. Реализация этих требований напрямую зависит от достижений в разработке и конструировании оборудования и совершенствования технологий получения тонких пленок.
В настоящее время наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются вакуумно-плазменные методы. Это обусловлено их экологической безопасностью, высокой чистотой технологических процессов и качеством продукции. Также известно, что в ионизованном или возбужденном состоянии атомы и молекулы легче взаимодействуют друг с другом, делая процесс нанесения покрытий более эффективным.
Проблемой существующих методов нанесения покрытий является либо высокая стоимость оборудования и небольшие скорости осаждения покрытий, как в случае СВЧ разрядов, плохая однородность наносимых покрытий, как при использовании дугового распыления, либо небольшие площади обрабатываемых поверхностей как при лазерной абляции, либо низкая адгезия, как при термическом испарении. Магнетронные распылительные системы (МРС) в какой-то степени лишены этих недостатков. Использующийся в МРС дрейфовый ток электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях дает возможность получать протяженные потоки достаточно плотной плазмы с контролируемыми в широком диапазоне характеристиками. МРС были изобретены еще в 70-х годах прошлого столетия, однако их конструкции совершенствуются до сих пор.
Расширить возможности метода позволило совместное использование МРС и источников ионов, которые генерируют направленные потоки ионов рабочих (как инертных, так и химически активных) газов, ускоренных до определенной энергии. Что в свою очередь позволяет применять их для чистки поверхности подложек и воздействия ионным потоком на покрытие в процессе его роста для изменения его структуры. На сегодняшний день магнетронные распылительные системы широко используются в технологиях нанесения покрытий вакуумно-плазменными методами. Действие МРС основано на распылении поверхности катода-мишени ускоренными ионами, образующимися в плазме тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, и формировании потоков атомов материала мишени в направлении поверхности, на которую осаждается покрытие.
Основными элементами МРС являются катод-мишень, анод и магнитная система. При подаче постоянного напряжения между электродами МРС инициируется аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Электроны, образующиеся в результате вторичной ионно-электронной эмиссии, захватываются магнитным полем и движутся по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Они оказываются в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, удерживающим электроны у поверхности катода, а с другой стороны - тормозящим электрическим полем, отталкивающим их. В результате эффективного удержания электронов и их интенсивной энергетической релаксации, значительно возрастает концентрация положительных ионов у поверхности катода. Что в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки поверхности мишени и плотности потока распылённых атомов. Наиболее интенсивно распыляется поверхность мишени в области сильного магнитного поля. Эта часть поверхности имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.
Влияние обрабатываемого материала (сплава на основе никеля) на износ хона в начальный момент резания
Для математического моделирования, рассматриваемого процесса хонингования использовалась методика Э.Ш. Джемилова. Данная методика, выполненная в программе NX Nastran позволяет отображать сложный процесс контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью при обработке и моделировать условия, выравнивающие контактные давления.
Метод конечных элементов (МКЭ) — численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики. Суть метода следует из его названия. Область, в которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество подобластей (элементов). В каждом из элементов произвольно выбирается вид аппроксимирующей функции. В простейшем случае это полином первой степени. Вне своего элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Значения функций на границах элементов (в узлах) являются решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами (в узлах). Затем эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах элементов. Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями ЭВМ. Так как каждый из элементов связан с ограниченным количеством соседних, система линейных алгебраических уравнений имеет разрежённый вид, что существенно упрощает её решение. С точки зрения вычислительной математики, идея метода конечных элементов заключается в том, что минимизация функционала вариационной задачи осуществляется на совокупности функций, каждая из которых определена на своей подобласти, для численного анализа системы позволяет рассматривать его как одну из конкретных ветвей диакоптики — общего метода исследования систем путём их расчленения.
NX Nastran — инструмент для проведения компьютерного инженерного анализа (САЕ) проектируемых изделий методом конечных элементов (МКЭ) от компании Siemens PLM Software. NX Nastran вместе с дополнительными решателями предназначен для решения как статических, так и динамических линейных и нелинейных задач инженерного анализа.
Установлено, что условия механической обработки способствуют изменению структуры поверхностного слоя обрабатываемого материала. Первоначальной задачей в процессе исследования являлось определение обрабатываемости сплавов на основе никеля (ХН-78Т, ХН62МВТЮ, 12Х18Н10Т, стали 45), хонингованием и определения возможностей получения требуемых параметров точности по шероховатости и некруглости. В процессе обработки были выбраны те скоростные режимы, которые рекомендовались для каждого вида материала соответственно.
Как показали результаты обработки, наиболее близкие значения к техническим требованиям для сплавов на основе никеля были получены с применением алмазного бруска с предварительно нанесенным упрочняющими покрытиями, с применением разработки по равномерному выводу шлама из зоны резания. Из всех применяемых упрочняющих покрытий, покрытие на основе алюминия показало самые лучшие показатели по чистоте обрабатываемой поверхности и даже превышало требуемое значение.
Применение алмазных хонинговальных брусков с покрытием на основе алюминия позволяет достичь той требуемой точности, которая требуется при обработке высокоточных поверхностей деталей ГТД.
Дальнейшее исследование проводилось с применением алмазных хонинговальных брусков с покрытием. При проведении практических экспериментов рассматривались различные комбинации скорости обработки, вертикальной подачи бруска. По окончании практической части работы проводились замеры: шероховатости полученной поверхности, некруглости и фрактографический анализ химических элементов.
А так же были проведены эксперименты по адгезионной способности, применяемого обрабатываемого материала с рабочей поверхностью инструмента. Проведение эксперимента заключалось в следующем: исследование производилось при помощи пресса с дозированным нормальным усилием на плоских образцах стали 45 и сплава ХН-78Т имеющих, одинаковую шероховатость Ra 3.2.
Структура шлама
Образующийся в зоне резания шлам, состоящий из стружки, вырванных алмазных зерен и частиц износа связки инструмента, действует на обрабатываемую поверхность как дополнительный режущий элемент, искажая форму отверстия.
Как утверждает Chalrley I из The tribological aspects of metalbonded diamond grinding wheels (трибологические аспекты алмазных кругов на металлической связке), металлическая связка рассматривается с точки зрения её износа и способности удерживать алмаз. При обсуждении вопроса придается особое значение тесной связи шлифования с трибологией (смазка, трение, износ). При этом указывается, что контроль за износом металлической связки на ряду с правильным выбором параметров алмаза играет важнейшую роль в производительности алмазной связки. В работе указано, что при алмазной обработки есть много особенностей, которые свидетельствуют о необходимости изучения характеристик износа обрабатываемого материала и связки, содержащие алмазные частицы. Особое внимание уделяется не сколько уменьшению износа, сколько его контролю. Износ алмазных зерен определяется твёрдостью обрабатываемой детали, износ связки происходит за счет образования стружки обрабатываемого материала. Твёрдые материалы вызывают сравнительно быстрый износ алмаза, при обработке они образуют стружку в виде тонкого порошка. В противоположности этому мягкие, зернистые материалы такие, как песчаник, вызывают незначительный износ алмаза, но количество образованной стружки и её твёрдость приводит к интенсивному износу связки.
Вид стружки играет важнейшую роль в работе алмазных брусков на металлической связке. При обработке твёрдых материалов, стружка, оказывает абразивное воздействие на материал связки. По этому в таких случаях можно говорить об абразивном износе связки алмазного инструмента.
В процессе хонингования брусками в результате трения и деформирования материала выделяется тепло, которое нагревает деталь и режущие бруски. Распределение тепловых потоков зависит от теплофизических свойств материала детали и инструмента, их размеров и условий теплоотвода. При обработке брусками распределение тепловых потоков между деталью и инструментом определяется не только теплофизическими характеристиками контактирующих тел, но зависит от соотношения между лошадями режущей поверхности брусков и поверхности обработки.
Это свидетельствует о том, что увеличение температуры в процессе резания так же является негативным фактором, который влияет на получаемую поверхность, следствие, это температурное поле тоже нужно убрать, или по возможности пропорционально распределить по всей обрабатываемой поверхности. С помощью математического моделирования процессов контактного взаимодействия, выполненные по методике Э.Ш. Джемилова, изучались термосиловые условия, формирующиеся в процессе обработки.
По деформированному состоянию поверхности детали на длине контакта с бруском определяется эффективность принятой конструкции инструмента и самого процесса хонингования.
При хонинговании цилиндрического отверстия площадь контакта инструмента с обрабатываемой деталью постоянна по всей длине бруска и углы скрещивания следов режущих зерен имеют равные значения.
По напряженно-деформированному состоянию и тепловому полю в детали на длине контакта с бруском определялась эффективность принятой конструкции инструмента и самого процесса хонингования.
По приведенным иллюстрациям результатов решения видно, что силы, возникающие при резании практически одинаковы. Однако, интенсивность протекания тепловых процессов при обработке сплава ХН-78Т значительно выше, чем при обработке закаленной стали 45.
Предложенные негативно-отрицательные факторы возникающие при обработки материала универсальны не только для обработки сплава ХН-78Т, но и для других различных труднообрабатываемых материаллов.
С помощью микроскопического анализа исследовалась структура шлама при обработке сплава на никелевой основе и стали 45 (рисунок 4.1.7-4.1.8).
Результат анализа позволяют выявить, наличие посторонних включений, состоящих из алмазов и алмазной крошки.
Из приведенной выше фотографии видно, что в шламе после обработки сплава на никелевой основе преобладает расколотые алмазы, а стружка очень мелкой длины, она практически не различима, имеет состояние мелкодисперстного порошка, а все остальное пространство занимают различные включения.
На приведенной микрофотографии (рисунок 4.1.8) приведен результат анализа микроскопии обрабатываемой детали из стали 45, изображен фрагмент шлама под увеличением, из рисунка видно, что преобладающее количество имеет стружка, которая занимает до 75% всего количества включений.
Соответственно разноструктурный шлам действует на обрабатываемую поверхность. Выводы по четвертой главе:
Связка, наряду с маркой, зернистостью и концентрацией алмаза, является важнейшей характеристикой алмазного инструмента. От качества связки зависят коэффициент использования потенциальных возможностей алмаза, область применения и работоспособность алмазного инструмента, производительность и качество хонингования. Кроме того, состав связки определяет технологичность и сложность производства алмазного инструмента.
Работоспособность связки характеризуется двумя основными свойствами - прочность удержания зерен алмаза связкой и износостойкостью. Первое определяется механической прочностью защемления зерен и химической связью алмаза со связкой. Прочность удержания зерен алмаза зависит от механических свойств связки, адгезионной активности связки к алмазу, а так же от свойств сплавов, образуемых элементами связки с алмазом.
Износостойкость связки определяет износ инструмента в процессе эксплуатации. Износ зависит от состава, структуры, механических свойств (в основном твердости) связки, а так же от взаимодействия (адгезии и диффузии) связки с обрабатываемым материалом. Кроме того, износ зависит от антифрикционных свойств связки, коэффициента трения по обрабатываемому материалу, который может изменятся за счет введения различных добавок, в том числе твердых смазок, а также от теплофизических свойств связки, особенно от её теплопроводности, теплоёмкости и температуропроводности.
Стабильность работы и работоспособности алмаза в инструменте в основном зависят от качества и однородности связки и ее физико-механических свойств. Связка должна обеспечивать не только высокую режущую способность и производительность алмазного инструмента, но и наиболее полное использование алмазного зерна в инструменте, малое тепловыделение, низкий коэффициент трения, способствовать снижению параметров шероховатости обработанной поверхности, исключать схватывание с обрабатываемым материалом.
От связки зависит не только износостойкость, но и механизм резания и характер взаимодействия алмазного инструмента с обрабатываемым материалом, сила и температура резания, структурное и напряженное состояние поверхностного слоя обработанного изделия, коэффициент трения, адгезионные и диффузионные явления в зоне резания. Механизм резания алмазных инструментов определяется суммарным взаимодействием алмазных зерен и связки с обрабатываемым материалом.
