Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологических процессов изготовления алмазного инструмента 7
1.1. Теоретические аспекты создания алмазно--абразивного инструмента 7
1.2. Технологические особенности изготовления алмазного инструмента улучшенной структуры 15
1.3. Выводы и постановка задачи исследований 30
Глава 2. Теоретические принципы объемного распределения зерен в алмазном инструменте 32
2.1. Исследование программного распределения алмазных слоев в матрице инструмента 33
2.2. Разработка и анализ вариантов распределения зерен в инструменте 40
2.3. Выбор программы расположения зерен на рабочей поверхности инструмента 52
Глава 3. Разработка способов получения основ -носителей зерен 61
3.1. Выбор материала основы - носителя зерен 61
3.2. Получение основы - носителя зерен методом мундштучного прессования 64
3.3. Получение основы методом укладки алмазных зерен по программе 85
Глава 4. Исследование и разработка технологического процесса изготовления алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен 93
4.1. Методы формования слоев связки 93
4.2. Формование алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен 100
4.3. Разработка технологического процесса изготовления алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен 114
Глава 5. Технико-экономическое обоснование эффективности алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен 129
5.1. Работоспособность алмазных инстру ментов с управляемым объемным рас пределением зерен при обработке камня 129
5.2. Работоспособность алмазных инстру ментов с управляемым объемным распре делением зерен при обработке твердого сплава 132
5.3. Определение экономического эффекта алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен 140
Общие выводы 148
Литература 151
Приложения 162
- Технологические особенности изготовления алмазного инструмента улучшенной структуры
- Разработка и анализ вариантов распределения зерен в инструменте
- Получение основы - носителя зерен методом мундштучного прессования
- Формование алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен
Введение к работе
Алмазная обработка обеспечивает высокую производительность, точность и качество изделий, незаменима при обработке труднообрабатываемых материалов. Благодаря этим качествам алмазный инструмент широко применяется во всех отраслях промышленности, из года в год растет потребность и расширяется его производство. Поэтому в "Основных направлениях развития народного хозяйства на I98I-I985 годы и в период до 1990 года", принятых на ХХУІ съезде КПСС, особое внимание уделяется созданию новых, высококачественных инструментов, повышению эффективности их эксплуатации.
Наиболее распространенная технология изготовления алмазного инструмента основана на формовании смеси порошка связующего материала с алмазными зернами. При этом распределение последних в матрице инструмента и их расположение относительно рабочей поверхности приобретают произвольный характер. В результате этого на рабочей поверхности инструмента образуется разно-высотность зерен и максимально нагружается только небольшое их количество. По мере износа инструмента количество максимально нагруженных зерен на рабочей поверхности и расстояние между ними в направлении рабочего движения из-за их хаотичного распределения изменяются, принимая случайные значения. При обработ-- ке таким инструментом силы резания между зернами распределяются неодинаково и в случаях, когда они превосходят прочность зерен или силы зерноудержания, присущие данной связке, зерна разрушаются или выпадают из связки, не использовав в полной мере свои режущие возможности.
В этой связи весьма актуальными являются работы, направленные на создание алмазного инструмента с управляемым объемным
распределением зерен. Это позволяет для каждого зерна создать одинаковые условия работы, при которых они могут работать до определенного максимального износа. Реализация такого технического решения даст возможность повысить эффективность применения алмазного инструмента.
Улучшение структуры алмазного инструмента развивается по трем основным направлениям: геометрическая ориентация зерен относительно рабочей поверхности, гранулирование алмазных зерен, послойное формование алмазного инструмента. Геометрическая ориентация и гранулирование алмазных зерен частично улучшают структуру инструмента, так как в первом случае, несмотря на увеличение количества максимально нагруженных зерен, распределение последних в матрице инструмента остается хаотичным. Во втором случае трудности связаны с осуществлением геометрической ориентации зерен и регулировки межзерновых расстояний в различных направлениях дискретно.
Послойное формование открывает широкие возможности управления структурой алмазного инструмента. Оно позволяет программно расположить зерна в алмазных сдоях с геометрической ориентацией относительно рабочей поверхности и по программе чередовать эти слои в матрице инструмента. Однако до настоящего времени процесс послойного формования изучен недостаточно. Не исследованы закономерности объемного распределения зерен в матрице инструмента. Отсутствуют теоретические разработки по созданию алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен. Нет промышленной технологии изготовления такого инструмента.
Основные положения, защищаемые в данной работе, можно сформулировать следующим образом:
Результаты теоретических исследований по формированию структуры алмазоносного слоя и закономерностей распределения зерен в матрице инструмента при управляемом объемном их распределении.
Результаты исследований процессов получения слоев связки и основ - носителей зерен, а также разработанная на их основе промышленная технология изготовления алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен.
Технологические особенности изготовления алмазного инструмента улучшенной структуры
За последние 10-15 лет, как у нас в стране, так и за рубежом, появились исследования, в которых улучшение структуры алмазного инструмента рассматривается как один из путей дальнейшего повышения эффективности его применения. Большая часть работ касается улучшения структуры алмазного инструмента путем осуществления геометрической ориентации зерен относительно рабочей поверхности /25-57 /.
Суть заключается в том, что большие геометрические оси зерен под воздействием внешней силы (ориентатора) располагаются под некоторым углом к рабочей поверхности, обеспечивая благоприятные значения передних углов. При этом создается возможность полнее использовать особенности формы алмазов и геометрии их режущих вершин. Степень разновысотности зерен значительно уменьшается. Увеличивается количество зерен, одновременно и в равной мере участвующих в процессе резания, следовательно, повышается режущая способность инструмента при тех же энергозатратах. Уменьшаются тепловые и динамические параметры обработки, в связи с чем улучшается качество обработанной поверхности. Создаются благоприятные условия для подвода СОЖ и удаления продуктов обработки, тем самым исключая быстрое засаливание, что очень важно особенно для инструментов на металлической связке,
В работе / 25 / показано, что в алмазных кругах Unlrond фирмы Diamond Products (Англия) с ориентированными зернами на любой глубине поверхностного слоя в работе принимают участие большее количество алмазов, чем в обычных алмазных кругах. По данным работ / 26-28 / вследствие ориентации количество активных режущих зерен возрастает более, чем в два раза. Исследования / 22,29-34 / показывают,что при работе кругами с ориентированными зернами силы резания и эффективная мощность уменьшаются в 1,5 раза, производительность и стойкость кругов повышается в 2 раза по сравнению с алмазными кругами без ориентации зерен в сопоставимых условиях,
В качестве ориентатора могут служить внешние силы различного характера. При изготовлении шлифовальных лент и шкурок геометрическую ориентацию зерен осуществляют под воздействием сил, возникающих в электростатическом поле /36-40 /. Сущность процесса поясняется на рис. 1,5, где алмазные зерна 6 на транспортере питания 5 подаются в электростатическое поле 4. Зерна 6, находясь в непосредственной близости от положительного электрода За, получают положительный заряд (положение 7) и начиная с определенного момента (положение 8) отталкиваются зарядом нижнего электрода и летят к верхнему притягивающему электроду 36 и вкрапливаются в слой связки 2, нанесенный на основу I (положение 9). Количество алмазных зерен на единице поверхности шкурки с ориентированными зернами больше, а шлифующая способность выше примерно в 1,5 раза.
Исследования / 22,23,41 / касаются изучения закономерностей процесса переноса алмазов в электростатическом поле, влияния различных марок и зернистостей алмаза, а также конструкций и размеров конденсаторов на перенос. Показано, что ориентация зерен увеличивает эффективность алмазного инструмента в 1,5 - 2,0 раза.
Для ориентации алмазных зерен ориентатором может служить воздействие сильного магнитного поля / 15,31,42 /. Алмаз диамагнитен, поэтому в этом случае проводят металлизацию алмазного порошка - зерна покрывают ферромагнитным материалом.
Как показано в / 5 /, условием для ориентации металлизированных алмазных зерен, в среде с малым коэффициентом вязкости, является наличие момента со стороны магнитного поля, превышающего по абсолютному значению механический момент и размагничивающий фактор Np (рис. 1.6). Величина последних обуславливается массой, размером, формой зерна и слоем металлизации. На зерно, помещенное в магнитное поле, действует момент, ориентирующий зерно в направлении большей диагонали, так как в этом случае работа намагничивания будет минимальной.
Разработка и анализ вариантов распределения зерен в инструменте
По направлению оси "У зерна должны перекрывать всю образующую, обеспечивая стружкообразование по всей ширине рабочего элемента. На рис. 2.3а зерна на рабочей поверхности элемента расположены в рабочем направлении ("К ) с определенным шагом , а по ширине перекрывают образующую, уподобив абразивный инструмент лезвийному, лезвие которого состоит из абразивных частиц.
Однако в этом случае условия зерноудержания связкой значительно ухудшаются и вариант расположения зерен, показанный на рис. 2.36, предпочтительней. Здесь каждый ряд зерен относительно предыдущего расположен со смещением в рабочем направлении на величину Lx , составляющую некоторую часть шага і , а все ряды вместе перекрывают всю ширину рабочего элемента. Каждое зерно со всех сторон обволакивается связкой и прочно удерживается ею.
Таким образом, указанные два направления ( X , У ) обуславливают расположение алмазных зерен на рабочей поверхности элемента, так же как и на каждом алмазном слое, которые должны быть параллельны рабочей поверхности элемента.
Рассмотрим варианты распределения алмазных зерен величиной А в сечении абразивного элемента, проведенного по осям X и И (рис. 2.4). Выше было сказано о необходимости относительного смещения См смежных алмазных слоев в направлении рабочего движения, во избежание дробления зерен при прессовании. Минимальное значение Cw принимаем равным с , а величину шага - кратной этой величине:
Тогда в рассмотренном сечении, в зависимости от і , зерно І -го слоя расположится под зерном первого слоя. Величина промежутка между ними обуславливает максимально возможное относительное перекрытие A max зерен смежных слоев в направлении нормали к рабочей поверхности для данного варианта. На рис. 2.4 для упрощения все варианты построены при А = 0,5 и отличаются друг от друга шагом і .
Возможны две схемы осуществления варианта: Cw= с = 1/3 2 и См = 2с = 2/ЗІ2 , которые являются зеркальным отображением друг друга. осуществления варианта: См = с = 1/4 3 » См = 2с = 2/4-3 и См = Зс = 3/4 3 Первая и третья - зеркальное отображение друг друга, а вторая схема аналогична варианту I.
При определенном минимальном значении Смт а= с , выбирая шаг і между зернами на рабочей поверхности, кратный величине с , по уравнению (2.13) можно определить величину максимально возможного относительного перекрытия зерен смежных слоев в направлении нормали рабочей поверхности Дтах Для данного варианта.
Каждый вариант распределения зерен (при определенных значениях с » К і і , A max) в свою очередь может иметь различные схемы выполнения в зависимости от величины относительного смещения смежных абразивных слоев См , которая принимает значения, кратные величине С , и максимальное значение которой определяется уравнением:
Выбирая См в пределах c Ctt4 C(L-2) , получим различные схемы выполнения данного варианта, однако некоторые из них аналогичны схемам других вариантов, а остальные - зеркальное отображение схем внутри варианта, т.е. отличаются от них только направлением относительного смещения смежных абразивных слоев. В табл. 2.2 приведены обобщенные результаты анализа вариантов и схем распределения абразивных зерен, где знак " + " перед величиной См означает направление смещения: " + " в направлении рабочего движения элемента, " - " в противоположном направлении.
Получение основы - носителя зерен методом мундштучного прессования
Одним из методов получения основ - носителей зерен является мундштучное прессование смеси материала основы и алмазных зерен, позволяющее совмещать операции укладки и фиксации зерен на основах с операцией формования самой основы. Алмазные зерна в определенном соотношении смешиваются с материалом основы и вместе с ним подвергаются мундштучному прессованию через матрицу, имеющую щелевидное отверстие. Полученная лента разрезается на основы - носители зерен заданных размеров и используется при изготовлении алмазного инструмента / 93 /.
Количество зерен на единице поверхности основы зависит от содержания алмаза в смеси, а стабильность этого показателя - от равномерности распределения зерен в исходной смеси. Значительная разница плотностей компонентов смеси препятствует получению равномерности распределения зерен при их смешивании с расплавленной бинарной композицией ПЦ 80 : 20. Большая неоднородность исходной смеси приводит к тому, что количество зерен на единице поверхности основы на различных участках ленты существенно колеблется, несмотря на то, что мундштучное прессование при получении ленты основы улучшает равномерность распределения зерен по сравнению с исходным состоянием смеси. Поэтому изготовление основы мундштучным прессованием происходит в два этапа: а) изготовление смеси ПЦ 80 : 20 и алмазных зерен с равно мерным распределением последних в смеси; б) мундштучное прессование однородной смеси через матрицу, имеющую отверстие в виде щели.
Мундштучное прессование, как известно, обеспечивает достаточно однородную структуру / 57,94 /, поэтому для получения равномерности распределения абразивных зерен в ПЦ 80 : 20 применяли мундштучное прессование смеси через многоканальную матрицу (рис. 3,1).
Известно, что прессуемая масса в окрестности матрицы разделяется на отдельные потоки, соответственно количеству каналов, каждый из которых питается частью объема заготовки / 95 /. Рассмотрим некоторый объем бинарной композиции, содержащий определенное количество абразивных зерен и состоящий из U элементарных объемов, соответственно количеству каналов на матрице. В каждом из элементарных объемов содержится произвольное количество зерен, имеющих произвольное распределение. При прессовании смеси через Ц - канальную матрицу, каждый элементарный объем, подвергаясь воздействию главных деформаций укорочения и удлине ния, уменьшается в сечении и удлиняется. Алмазные зерна, сосредоточенные в какой-то части элементарного объема, подвергаясь воздействию деформируемого материала, перераспределяются в элементарном объеме. В результате этого и при наличии большого количества таких элементарных объемов равномерность распределения зерен в рассмотренном некотором объеме значительно улучшается.
Проведенные нами исследования имели целью выявить особенности влияния параметров многоканального прессования (количества каналов матрицы и. , условной степени деформации JU. , количества повторных прессований N , скорости прессования Vn ) на равномерность распределения зерен в объеме бинарной композиции ІЩ 80 : 20.
Лабораторные испытания алмазных брусков на связке Ml из алмазов марки А2 630/500 (использовалась только основная фракция) с объемным программным распределением зерен показали, что по сравнению с аналогичным инструментом хаотичной структуры наилучшую работоспособность обеспечивают алмазные бруски с такой программой распределения зерен, при которой в каждом алмазном слое, на поверхности 0,7 х 2,4 см, содержится по 72 зерна / 96 /. Исходя из этого, количество зерен в объеме материала основы 0,06 х 0,7 х 2,4 = 0,1008 см принимаем равным 72. Их масса сос q тавляет 0,035 г (среднее из 20 измерений), а объем г 0,01 см или 9 % общего объема материала носителя с зернами (0,1108 см).
В экспериментах вместо алмазов были взяты зерна КЗ. Заготовки изготовляли следующим образом. В расплавленную бинарную композицию парафин - церезин засыпали зерна КЗ размером 500 и 630 мкм из расчета получения 9 %-ой концентрации. Смесь непрерывно вращали в пьяной бочке до достижения комнатной температуры.
Чтобы изучить влияние условной степени деформации jti. на равномерность распределения зерен в смеси, заготовки прессовали через многоканальную матрицу при следующих условиях: I - у-\ = = 3 ( U1 = 48), 2 - JU2= 9 ( U2 = 16), 3 -JU3= 18 ( U3 = 8), DK = 50 мм, dK= 4,2 мм, Vn = 60 мм/мин.
Каждый вариант эксперимента повторяли 3 раза. Для оценки однородности смесей, полученных в разных условиях, из каждой смеси брали по 16 одинаковых объемов (3,14 см ), в каждом из которых должен содержаться 0,28 см или 0,9 г КЗ. Отделяя зерна от материала основы определяли их содержание по массе в каждом из 16 объемов.
По полученным результатам строили гистограммы плотности распределения зерен (рис. 3.2), которые показывают, что количество зерен в каждом объеме - величина случайная и их распределение в смеси приближается к закону нормального распределения. Следовательно, о равномерности распределения зерен можно судить по величине среднего квадратического отклонения 6 количества зерен в смеси от расчетного количества зерен для каждого варианта эксперимента.
Формование алмазного инструмента с управляемым объемным распределением зерен
Формование многослойного алмазного инструмента осуществляется в пресс-форме с формовочной камерой определенной глубины. В пресс-форму устанавливают прокатанные слои связки определенного количества для получения безалмазного слоя инструмента. Затем, чередуя слои связки с основами - носителями алмазных слоев, собирают многослойную массу и подпрессовывают для уплотнения многослойной массы.
Из-за значительного разброса размеров в пределах одной зернистости зерна в основе, полученной их укладкой по шаблону, могут иметь расположение, показанное на рис. 4.4. Слои связки I под определенным давлением, сжимая основу 2, соприкасаются с зернами 3, фиксируя их положение. При дальнейшем увеличении давления зерна 3 внедряются в слои связки I, а материал основы, будучи несжимаемым, течет, заполняя технологические канавки на матрице, предусмотренные для удаления материала основы из пресс-формы. Поток материала основы влечет за собой зерна 4 до тех пор, пока толщина основы 2 не становится соразмерным с зернами 4, тем самым нарушая программное расположение зерен в основе.
С целью определения давления при подпрессовке многослойной массы для ее уплотнения из прокатанных слоев связки МІ пло р щадью 100 см , толщиной 0,05 см и основ - носителей зерен толщиной 0,08 см с алмазами марки АРК4 630/500 (использовалась только основная фракция) собирали многослойную массу, содержащую по 10, 15, 20, 25 слоев связки и основы. Образцы прессовали на гидравлическом прессе ПСУ-10 в пресс-форме, на матрице которой имелись 8 технологических канавок шириной 0,6 см и глубиной 0,1 см для удаления материала основы, с усилием прессования от 10 кН до 80 кН. Эксперименты показали, что при использовании основ, полученных укладкой зерен по шаблону, подпрессовка многослойной массы для ее уплотнения должна осуществляться под давлением (3-5) МПа. При более высоких давлениях в технологических канавках на матрице наблюдается появление материала основы.
После предварительного уплотнения многослойную массу вместе с пресс-формой нагревают до температуры плавления материала основы (для ПЦ 80 : 20 Тпя= (60 - 65) С). Расплавленная бинарная композиция по технологическим канавкам шириной до 8 мм и глубиной не более I мм, выполненным по высоте матрицы и равнораспсложенным по периметру формовочной камеры, выходит наружу (рис.4.10).
Затем многослойную массу подпрессовывают под давлением 80 -100) МПа с целью получения компактного брикета. При этом слои связки, заполняя освободившийся объем после удаления материала основы, фиксируют программу расположения зерен.
Выдержку многослойной массы Т при ГИПЛ материала основы определяли экспериментально. Заготовки содержали 10, 15, 20, 25 слоев основы размерами 10 х 10 х 0,08 см (в среднем 76,6 г, 112,8 г, 151,0 г, 187,5 г материала основы соответственно) с алмазами ACI5 630/500 (0=0, = 0,38 см). Заготовки выдерживали в течение Т = 5 - 30 мин. Началом отсчета времени служило достижение TJJJJ крайних слоев заготовок, которое контролировали с помощью термопары типа медь-константан, подключенной к потенциометру ПП-63 кл.0,05. Остаточное содержание материала основы определяли весовым методом на аналитических весах АДВ-200 М 2 кл. Зависимости остаточного содержания ПЦ композиции в брикетах MQCT от выдержки Т приведены на рис. 4.5.
