Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса применения СОЖ при алмазной заточке твердых сплавов 7
1.1. Механизм изнашивания алмазных кругов при обработке твердых сплавов 7
1.2. Влияние СОЖ на процесс шлифования твердых сплавов. 15
1.3. Качество поверхностного слоя твердосплавного инструмента при алмазном шлифовании 25
1.4. Исходная гипотеза работы 31
2. Методика проведения исследований 42
2.1. Исследование смазочной способности фосфатов 42
2.2. Разработка нового состава СОЖ для заточки твердых сплавов 47
2.3. Стойкостные испытания алмазных кругов при применении СОЖ 50
3. Исследование смазочной способности полифосфатов . 54
3.1. Влияние структуры и степени полимеризации на
смазочную способность водных растворов фосфатов .54
3.2. Влияние природы трущихся поверхностей на смазочные свойства фосфатов 67
Выводы 72
4. Разработка смазочно-охлаждающей жидкости на основе полифосфатов 74
5. Исследование влияние СОЖ на процесс заточки твердых сплавов 84
5.1. Планирование эксперимента и его реализация 84
5.2. Обрабатываемость твердого сплава ВК8 и ТІ5К6 при различных уровнях варьирования параметрами режимов резания 94
Выводы 112
6. Лабораторные и опытно-промышленные испытания раз работанной СОЖ 113
6.1. Стойкостные испытания резцов из сплава ВК8 и ТІ5К6 .115
6.2. Применение разработанной СОЖ при шлифовании безвольфрамовых твердых сплавов 119
6.3. Расчёт экономической эффективности от внедрения разработанной СОЖ 122
Выводы 128
выводы 129
литература 132
приложения 146
- Качество поверхностного слоя твердосплавного инструмента при алмазном шлифовании
- Разработка нового состава СОЖ для заточки твердых сплавов
- Влияние природы трущихся поверхностей на смазочные свойства фосфатов
- Разработка смазочно-охлаждающей жидкости на основе полифосфатов
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС поставлена задача-"предусмотреть опережающее развитие машиностроения и металлообработки. Увеличить выпуск продукции машиностроения и металлообработки не менее чем в 1,4 раза" [і].
Одним из путей решения этой проблемы является повышение производительности процессов металлообработки за счёт увеличения работоспособности режущего инструмента, эксплуатационные показатели которого в большей мере зависят от качества выполнения заточных операций. Использование синтетических алмазов, как инструментального материала, является важным этапом в дальнейшем развитии и совершенствовании процессов заточки, одним из факторов научно-технического прогресса в инструментальном производстве [32] .
Несмотря на то, что алмазно-абразивный инструмент наиболее широко применяется при шлифовании твердых сплавов, вопрос его рациональной эксплуатации не может решаться унифицированно из-за различия физико-механических свойств твердых сплавов J92].
Важным резервом повышения производительности алмазного шлифования, уменьшения расхода алмазов и улучшение качества обрабатываемых поверхностей является создание и применение эффективных сма-зочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). К настоящему времени сложился ассортимент новых отечественных СОЖ, позволяющих выбирать для операций шлифования достаточно эффективную жидкость. При этом установлено, что в силу известных особенностей синтетических алмазов как инструментального материала, варьирование составом водных СОЖ незначительно сказывается на показателях процесса шлифования [l2fj. Однако этот вывод справедлив для водных СОЖ, в состав которых входят простые соли неорганических кислот.
Перспективным направлением в создании водных СОЖ для алмазной
обработки твердых сплавов является применение неорганических полимеров-полифосфатов. Тема включена в координационный план научного совета АН СССР по коллоидной химии и физико-химической механике (регистр, номер темы - 2.16.1.3) и координационный план наиболее важных научно-исследовательских работ МССР в XI пятилетке (Постановление Совета Министров МССР W 97 от 21 марта 1979 года, регистр, номер темы - 09.03.01).
Настоящая диссертационная работа поставлена с целью изучения смазочных и противозадирных свойств водных растворов полифосфатов, которые могли быть использованы в качестве компонентов СОЖ при алмазном шлифовании твердосплавного инструмента. Реализация этой цели решает задачи: повышение эффективности процессов алмазного шлифования; увеличение износостойкости режущего инструмента при обработке материалов с ярко вьфаженными адгезионными свойствами; использование отходов фосфатного сырья для получения концентрата СОЖ.
При изучении антифрикционных свойств конденсированных фосфатов в условиях трения и в процессе алмазной заточки твердосплавного инструмента были использованы труды А.С.Ахматова [5] , П.Ф.Боудена и Д.Тейбора [12] , А.Я.Гоголева [23| , И.В.Крагельского [48] , А.А. Кутькова [J38] , М.Б.Клушина [41] , Т.Н.Лаладзе и Г.В.Бокучава [бЗ] , В.Н.Латышева [бО] , P.M.Матвеевского |73] , М.Ш.Семко [іОЗ] , Е. А. Продана [80] , П.А.Ребиндера [85] , Э.В.Рыжова [93] , Г.И.Фукса [ііб] , Л.В.Худобина [l20] , П.И.Ящерицына [іЗі] и др.
На основании теоретических предпосылок и экспериментальных исследований в работе показана возможность модифицирования тонкого поверхностного слоя режущего инструмента химическими элементами и соединениями, содержащимися в СОЖ на основе фосфатов, непосредственно в процессе заточки. Изучены закономерности смазочного действия водных растворов полифосфатов в зависимости от структуры, степени полимеризации и концентрации. Разработанная СОЖ на основе три-
- б -
полифосфата натрия технического, пирофосфата натрия, сульфата меди и воды превосходит рекомендуемые среды по производительности процесса заточки твердых сплавов и качеству обрабатываемых поверхностей. Исследованы топография, свойства, состав и структура модифицированного поверхностного слоя твердосплавного инструмента. Показано, что образованые в таких условиях поверхности способствуют нормальному протеканию периода приработки инструмента при резании нержавеющих сталей.
По результатам лабораторных и производственных испытаний СОЖ на основе фосфатов рекомендуется к применению на операциях алмазной заточки вольфрамосодержащих, безвольфрамовых твердых сплавов, абразивной разрезки проката из нержавеющих сталей и других операциях. Рекомендации по применению новой СОЖ разосланы на 150 машиностроительные предприятия страны.
Автор выражает признательность и благодарность научному руководителю, коллективу кафедры, сотрудникам института сверхтвердых материалов АН УССР за оказанную помощь при выполнении работы.
Качество поверхностного слоя твердосплавного инструмента при алмазном шлифовании
Качество поверхностного слоя является одним из основных показателей стойкости режущего инструмента. В работах В.И.Третьякова [110), Р.Киффера и П.Шварцкопфа (39]отмечалось, что твердые сплавы, обладая высокой твердостью и хрупкостью, характеризуются едва ощутимой пластичностью. Твердые сплавы хорошо работают на сжатие, значительно хуже на изгиб и особенно плохо на растяжение, т.к. предел прочности на растяжение в 5-8 раз меньше предела прочности на сжатие [50] .
Особенностью обработки твердых сплавов является склонность к трещинообразованию, окисление карбидной фазы и кобальтовой связки [94,95]. Большинство авторов, исследовавших процесс обработки твердых сплавов, считают, что трещинообразование имеет термическое происхождение [21,23,28,56]. Причиной термического удара является мгновенное изменение температуры. Чем быстрее протекает это изменение и выше градиент температур, тем большие возникают термические напряжения вследствие неоднородности теплового расширения различных участков тела. Возникающие при этом напряжения могут вызвать существенные изменения исходных физико-механических свойств тела вплоть до его разрушения [l3l] .
К.П.Имшенником и Н.А.Бухманом введено понятие термостойкости твердого сплава, под которым понимается способность противостоять образованию трещин при резком охлаждении [ЗЗ]. Ими установлено, что при медленном нагреве и охлаждении, когда температурный градиент не превышает критического, трещины на пластинках твердого сплава не образуются. При быстром нагреве (2000-4000 град/с) и медленном охлаждении на пластинках Т30К4, ТІ5Кб и ВК2 обнаружены трещины. Причиной образования трещин на твердосплавных пластинках является неравномерное изменение объема верхних и нижних слоев, сопровождающееся образованием напряжений на поверхности образца, величина которых превышает предел прочности сплава. При охлаждении образование трещин наблюдается значительно чаще, чем при нагреве, т.к. в поверхностных слоях образуются напряжения растяжения, а при нагреве-сжатия.
Известно, что при абразивном шлифовании твердых сплавов основным дефектом является образование сетки трещин на обработанной поверхности. Причина появления трещин - высокая температура, возникающая в зоне шлифования. При алмазной заточке твердосплавного инструмента температура в зоне шлифования ниже, чем при абразивной, что создает благоприятные предпосылки для обеспечения качественной заточки. Однако, если неправильно выбраны характеристики алмазного круга и условия шлифования, на пластинках твердого сплава могут появиться не только трещины, но и сколы [ЮЗ, 143]. Исследование условий качественной заточки одно- и двухкарбидного твердосплавного режущего инструмента проведено Н.С.Дегтяренко и А.С.Каменковичем . Качество поверхности изучалось в зависимости от вида шлифо-вания-прерывистого, т.е. с продольной подачей, и непрерывистого, т.е. методом врезания и оценивалось по наличию трещин и структурных изменений поверхностного слоя. Критические температуры для прерывистого шлифования устанавливались по температуре образования трещин, а для непрерывистого - по температуре структурных изменений. Было установлено, что критические температуры для однокарбид-ных твердых сплавов значительно выше, чем для двухкарбидных.
Рассматривая влияние режимов алмазного шлифования на качество поверхности твердого сплава ВК20, А.Е.Гельфанд [22] приходит к выводу, что режимы алмазного шлифования кругами на бакелитовой связке незначительно влияют на качество поверхностного слоя и механические свойства сплава ВК20. Этот вывод должен быть ограничен теми условиями, в которых проводились исследования. Как показали опыты, проведенные на сплаве BKI5 при шлифовании торцем круга пластинок толщиной более б мм, режимы шлифования оказывают значительное влияние на трещинообразование \бЗ\ . Степень такого влияния менее значительна для однокарбидных, чем для двух- и трёх - карбидных твердых сплавов.
Особый интерес представляет вопрос о степени влияния продольной и поперечной подач, так как именно эти два параметра режима резания определяют производительность процесса шлифования. По данным работы 90] при одинаковом минутном съёме поперечная подача влияет на трещинообразование в большей степени, чем продольная. Последнее объясняют более интенсивным увеличением контакта связки и наполнителя с ростом поперечной подачи. Это приводит к более интенсивному росту сил трения и теплообразования.
Большое влияние на качество поверхностного слоя оказывает характеристика круга. Авторы работы [79] в числе других материалов изучали твердые сплавы ВК8 и ТІ5К6. Сравнивая режущую способность, силы резания, качество обработанной поверхности и стойкость твердосплавного инструмента, они приходят к выводу, что преимущество кругов на бакелитовой связке свидетельствует о том, что шлифование сталей и сплавов, склонных к прижогам и трещинам, целесообразно проводить кругами на органических связках. Так, по данным работы [iIOj , при шлифовании сплава Т30К4 без охлаждения кругами на металлической связке Ml при прочих равных условиях трещины образуются уже при Snon- 0,01 мм/ход., для кругов на связке БІ -при Snon- 0,02 мм/ ход., а для круга на керамической связке KI - при Snon= 0,04 мм/ход.
Разработка нового состава СОЖ для заточки твердых сплавов
При разработке нового состава СОЖ были приняты во внимание следующие основные требования: I. СОЖ должна обладать высокими функциональными и эксплуатационными свойствами. С точки зрения функциональных свойств эффективная СОЖ должна обеспечить высокую производительность процесса и качество обрабатываемых материалов за счёт смазочных, диспергирующих, моющих, охлаждающих свойств. Эти факторы нами рассматривались при изучении поведения водных растворов полифосфатов на ЧШМТ. Из эксплуатационных показателей СОЖ можно выделить следующие: 1. СОЖ не должна оказывать вредного влияния на человека, не обладать резким неприятным запахом, легко разлагаться при сливе в сточные воды. 2. Не оказывать коррозионного воздействия на металлические детали станка. 3. Не должна вспениваться при подаче насосом. 4. Не разлагаться под действием бактерий. 5. Применяемые присадки должны быть не дефицитными, а их количество - минимальными.
Исходя из санитарных требований (п.І) в исследованиях применялись вещества (полифосфаты), не являющиеся токсичными и ядовитыми, широко применяемые в промышленности и быту [80J .
Защитные свойства растворов изучались по методике ускоренных коррозионных испытаний [88] , применялись электроды из стали Ст.З, электрод сравнения - каломельный. В исследованиях использовался потенциометр Р 363.
Оптимальные составы, полученные после изучения защитных свойств ускоренным методом коррозионных испытаний, проверяли на контактную коррозию в паре Ст.З - чугун СЧ 21-40, т.е. к тем металлам, из: которых изготовлены рабочие органы металлорежущего оборудования. На полированные пластинки, обезжиренные бензолом, наносилось по 5 капель исследуемого раствора и при температуре 293К образцы выдерживались в течение 8 и 24 часов. После этого подсчитывалась площадь участка, пораженная коррозией. За 100 % коррозию принималась такая, когда все пять участвов поверхности покрывались ржавчиной. Аналогично проводили испытания в парах чугун-чугун, сталь-сталь.
Испытания на вспениваемость проводили следующим образом. В электромешалке в течение 20 мин. раствор интенсивно перемешивался при скорости вращения вала П = 2500 мин . В процессе испытаний фиксировался объём образовавшейся пены и время до её полного исчезновения [58] . Для выбора оптимальной концентрации компонентов СОЖ проводились стоимостные испытания резцов, заточенных в I; 2; 3; 5 % растворах полифосфатов при точении нержавеющей стали I2XI8HI0T. Заточка осуществлялась на универсальном заточном станке мод. ЗВ642 алмазным кругом АСР зернистостью 100/80, металлизированным, на органической связке БІ, 100 % концентрации.
Применялись резцы с механическим креплением, оснащенные пластинками твердостью сплава ВК8. Геометрия заточки У - L ;/, = Ю) Y=Tt-45; Д - 0 ; -ft Q3 [68] , где ft -передний угол; ?С и соответственно главный и вспомогательный задние углы; Lfl{fi- углы в плане; JL -угол наклона главной режущей кромки; - фаска при вершине резца.
Острые кромки режущего лезвия не притуплялись, чтобы в большей мере выявить влияние качества заточки в каждой из испытываемых СОЖ. Режимы заточки для каждой серии опытов соответствовали максимальной производительности, отсутствию макротрещин и бесприжогового шлифования.
Износные испытания проводились на токарно-винторезном станке мод. 16Б25ПСп при продольном точении заготовок из нержавеющей стали I2XI8HI0T. Размеры заготовок: - 500 мм, с/ = 70 мм. Оптимальная скорость резания по данным А.Д.Макарова [бв] при глубине резания t = 0,5 мм и подаче 0,10 км/об составляетV= 80 м/мин. Продольная прдача, скорректированная по станку, равнялась 0,095 мм/об.
Влияние природы трущихся поверхностей на смазочные свойства фосфатов
Для исследования закономерности влияния природы трущихся поверхностей необходимо было выбрать один фосфат и привести на нём наиболее обширный эксперимент. Свое внимание мы остановили на химически чистом триполифосфате натрия. У него кривые износа оригинальной формы, хорошо видно пластический характер изнашивания шаров из стали Ш X 15, методика получения в лабораторных условиях проста. Кроме этого, это один из фосфатов, обладающий хорошими ингибирующими свойствами, и который можно использовать в качестве основы смазочной композиции.
Наиболее контрастные результаты в ходе испытаний были получены при трении шаров из стали 95X18. На растворах первых двух концентраций не получено нормального скольжения шаров, т.е. триполифосфат натрия практически не оказывал смазочного действия. На низких ступенях нагружения имел место очень сильный износ и при 3 %, 5 % концентрациях. На нагрузке 490 Н он больше, чем в дистиллированной воде при испытании шаров из стали ШХІ5. Неравномерное скольжение шаров прекращалось, начиная с осевой нагрузки 980 Н. У двух последних растворов противозадирные свойства лучше, чем на стали ШХІ5, но износ на сравниваемых ступенях нагружения больше, кроме нагрузок, предшествующих свариванию (рис. 3.16). Характер изнашивания шаров из стали 95X18 остался преимущественно пластическим. Пластическое течение поверхностных слоев видно и на пятнах износа при нагрузках, соответствующих нормальному скольжению. В испытанных растворах наблюдалось незначительное количество мельчайших частиц, отделившихся с поверхностей трения. Триботоки в ходе испытаний были очень малы и появлялись в момент заедания на высоких ступенях нагружения
При трении шаров из стали 55СМ5ФА износ увеличивался по сравнению с ШХІ5 в диапазоне заедания, т.е. на низких ступенях нагруже-ния, во всех четырех концентрациях триполифосфата натрия (рис.3.17), В зависимости от концентрации раствора скрип прекращался на нагрузках 960-1470 К. Наименьшее значение соответствовало двум последним растворам. Характерный перегиб на кривых износа наблюдался только для первых двух концентраций. Изнашивание происходило в виде отделения тончайших металлических частичек, хорошо удерживаемых на поверхности раствора. Последнее объясняется высокими поверхностно-активными свойствами триполифосфата натрия.
Закономерности в записи триботоков не изменялись по отношению к первым двум сочетаниям.
При трении шаров из твердого сплава BKI5 износ уменьшался по сравнению с ШХІ5 во всем диапазоне нагружения (рис.3.18). Скрип отсутствовал, начиная с первоначальной нагрузки 490 Н. Нагрузку сваривания для двух последних концентраций растворов триполифосфата натрия определить не удалось, хотя испытания проводились до Р = = 9800 Н. Износ шаров происходил в виде нормального истирания.
Характер изнашивания определяется физико-механическими и химическими свойствами материалов. В виду высоких антикоррозионных свойств сталь 95X18 очень сильно изнашивается на низких нагрузках, окисление в диапазоне смазывания примерно одинаковое, а улучшение про-тивозадирных свойств происходит, вероятно, из-за того, что она меньше склонна к разупрочнению с повышением температуры. Способствует окислению в диапазоне смазывания температура.
Стали 95X18, ШХІ5 пластически оттеснялись с мест контакта в виде заусенцев, по которым осуществлялся сильный теплоотвод с поверхностей трения. В результате этого они сильно окислялись, а определенных случаях практически полностью растворялись, так как окислы железа хорошо растворяются в полифосфатах [80].
Сталь 55СМ5ФА изнашивалась в виде отделения тончайших частичек с поверхностей трения. Её поверхностные слои под действием высоких контактных давлений сильно упрочнялись и разрушались в результате многократного передеформирования [48] . Износ шаров из твердого сплава BKI5 происходил в виде нормального истирания. Значения коэффициента трения даже при небольших осевых нагрузках были низки.
Разработка смазочно-охлаждающей жидкости на основе полифосфатов
Качество заточки твердосплавного инструмента оценивают по различным критериям: радиусу закругления и шероховатости режущей кромки, испытаниями на микроскалывание главной режущей кромки, величине и знаку остаточных напряжений, шероховатости обработанных граней, наличию макро-, микро- и субмикротрещин J32,45,I3I . Однако обобщающим показателем качества является стойкость инструмента при обработке металлов и сплавов, для которых они предназначены.
Изучение характера и интенсивности изнашивания, заточенных алмазными кругами, в СОЖ, проводилось на оборудовании, описанном в гл. II. Отличие заключалось в том, что применялись цельные твердосплавные резцы с сечением 20x40 и длиной 150 мм. Геометрия заточки соответствовала рекомендуемой для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов [ібф$=0, I = /,= 7, = 45, VU 15, Є = 0,5 мм, /? = 6 мм, nR = I мм, 4-у = 0,25 мм. Режимы заточки: VK = 15 м/с, продольная подача$/?/ = 2 м/мин, поперечные подачи изменялись от 0,025 мм/дв.х. до 0,100 мм/дв.х. Заточку проводили в трех процентном растворе полифосфатов и для сравнения в 3 содовом растворе. Применялись алмазные круги АЧК 150x10x3x32, АСР 100/80, К = 100 %, БІ и АСР 60/40 100 % БІ.
Прежде чем, перейти к износным испытаниям, необходимо было определить оптимальные скорости резания для данных условий обработки. Определение оптимальных скоростей проводили по методике, описанной в работе [68J. Результаты представлены на рис. 6.1.
Для проведения стойкостных испытаний были выбраны скорости резания: для BK&Vp =60-70 м/мин, TI5K6 -Vp =220-240 м/мин. В первой серии испытаний съём инструментального материала для обеих марок твердого сплава составлял Snan= 0,100 мм/дв.х. Из рис. 6.2 видно, что при заточке твердых сплавов в среде полифосфатов и в 3 % содовом растворе износ практически одинаков в обеих СОЖ. Однако при точении стали I2XI8HI0T резцами из твердого сплава TI5K6, заточенными в содовом растворе, после длины пути резания порядка 4000 м. обработанная поверхность принимала вид наждачной бумаги. Мелкие частицы стружки, образовывшиеся в результате адгезионного взаимодействия с инструментальным материалом (рис. 6.4-а), прочно приваривались к вновь образованной поверхности. Вероятно, это связано с тем, что в первоначальный период работы инструмента оксидная пленка, сформированная при заточке в содовом растворе на довольно жестком режиме ( Snon = 0,10 мм/дв.х.), предохраняла от непосредственного взаимодействия пары инструмент-заготовка. При достижении определенного пути резания её экранирующий эффект прекратился (пленка износилась). Применяя в качестве СОЖ при заточке раствор полифосфатов, поверхностные слои модифицируются фосфором. В процессе резания инструмент работает в условиях высоких контактных давлений и температур. В результате пластической деформации в тонком поверхностном слое твердого сплава, вероятно, происходит миграция атомов фосфора вглубь кристаллической решетки. Это позволяет получать высокое качество обработки при значительном периоде стойкости инструмента (рис. 6.3).
Микрохиманализ изношенной задней поверхности резца TI5K6, заточенного в СОЖ на основе фосфатов, показал наличие следующих элементов: Ц Pf Ре, Сг,№іТі , причем содержание фосфора у основания фаски износа выше,чем в середине. Следовательно, даже после пути резания L = 5000 м модифицированная в процессе заточки поверхность обеспечивает высокую работоспособность резцов при резании стали І2ХІ8НІ0Т.
При доводке одно-и двухкарбидного сплава применение содового раствора в качестве СОЖ приводит к поломкам инструмента (рис.6.5 и 6.6). Это связано с тем, что при низких режимах шлифования содовый раствор, обладающий плохими смазочными свойствами,не обеспечивает окисление поверхности на необходимую глубину и способствует образованию дефектов в поверхностных слоях. В то же время фосфатный раствор оказывает благоприятное влияние на качество доведенных поверхностей - сколов и выкрашивания при точении нержавеющей стали І2ХІ8НІ0Т не наблюдалось. Шероховатость обработанной поверхности оставалось в пределах R2 = Ю Д Длины пути резания 17000 м.
Таким образом, СОЖ на основе полифосфатов можно применять в широком интервале изменения режимов заточки и получать высокое качество инструмента из твердого сплава.
