Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теоретических и практических исследований процесса затачивания твердосплавного инструмента, цель и задачи исследования 12
1.1. Методы затачивания твердосплавного инструмента 12
1.1.1. Абразивно-алмазное затачивание 12
1.1.2. Электроалмазное затачивание 15
1.2. Состояние рабочей поверхности круга при разных методах затачивания 26
1.3. Потеря работоспособности алмазных кругов и методы восстановления их режущих свойств 26
1.3.1. Причины потери алмазными кругами режущей способности 26
1.3.2. Засаливание алмазных кругов на металлической связке 28
1.3.3. Методы восстановления режущих свойств круга 30
1.4. Качество инструмента, заточенного различными методами 33
1.4.1. Формирование геометрических показателей качества режущих инструментов 33
1.4.2. Физическое состояние поверхностного слоя 35
1.5. Проблемы количественной оценки процесса засаливания с позиций адгезии инструментального и обрабатываемого материала 40
1.5.1. Анализ методов определения адгезионно-диффузионных явлений 40
1.5.2. Гипотеза о начальном напряженном состоянии в твердых телах 44
1.6. Выбор и обоснование основных направлений исследований и разработок 51
Глава 2. Разработка теории контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов 54
2.1. Гипотезы о механическом поведении инструментальных и обрабатываемых материалов на контактных поверхностях 54
2.2. Модель инструментального и обрабатываемого материалов в зоне их контакта 62
2.3. Представление об адгезии в рамках предложенной модели 70
2.4. Учет реальных условий процесса затачивания режущего инструмента кругами на металлической связке при вычислении энергии адгезии 81
2.5. Установление режима самозатачивания круга и критерии оценки его нормальной работы 93
Глава 3. Экспериментальные данные о строение алмазоносного слоя и природа засаливания кругов на металлической связке 98
3.1. Общие положения 98
3.2. Подготовка эталона 99
3.3. Поверхность круга после затачивания без СОЖ 102
3.4. Состояние поверхности круга после затачивания электрохимическим методом 108
3.5. Поверхность круга после затачивания с непрерывной электрохимической правкой круга .113
3.6. Состояние поверхности круга после затачивания твердого сплава комбинированным методом 117
3.7. О природе засаливания алмазных кругов на металлической связке 121
3.8. Пример расчета энергии адгезии с учетом наличия пассивирующих пленок 143
Глава 4. Исследование качества твердосплавного инструмента, заточенного разными методами 151
4.1. Общие положения 151
4.2. Качество инструмента, заточенного без СОЖ 153
4.3. Качество инструмента, заточенного при непрерывной электрохимической правке круга 159
4.4. Качество инструмента, заточенного при электрохимическом травлении 162
4.5. Качество инструмента, заточенного методом двойного травления 176
4.6. Распределение микротвердости по передней поверхности
у твердосплавных пластин, заточенных различными методами 181
4.7. Исследование дефектного слоя твердого сплава, затачиваемого различными методами 196
4.8. Рсчет энергии адгезии с учетом наличия пассивирующих пленок на обрабатываемой поверхности инструмента 207
Глава 5. Исследование основных показателей процесса комбинированной электроалмазной обработки режущих инструментов 214
5.1. Общие положения 214
5.2. Влияние режимов затачивания на режущую способность круга 215
5.3. Влияние режимов резания на износостойкость алмазных кругов 225
5.4. Влияние электрических параметров обработки на удельный расход алмазов 237
5.4.1. Влияние плотности силы тока правки на удельный расход алмазов 237
5.4.2. Влияние плотности силы тока травления на удельный расход алмазов 239
5.5. Изучение влияния режимов резания на шероховатость заточенной поверхности 240
5.6. Влияние режимов резания на эффективную мощность затачивания ^ твердосплавных инструментов 252
5.7. Расход алмазов от времени правки алмазного круга 256
Глава 6. Преимущества МДТ и рекомендации по рациональному применению в промышленности 260
6.1. Соотношение между величиной растравленного слоя и глубиной поперечной подачи при затачивании 260
6.2. Взаимосвязь дефектного слоя с электрическими и механическими режимами резания 264
6.3. Стойкость инструмента, заточенного различными методами, и комплексный показатель качества 266
6.4. Влияние характеристики алмазных кругов на технико-экономические показатели алмазной обработки 273
6.5. Практические рекомендации по применению МДТ 276
6.5.1. Устройство основных элементов и узлов, устанавливаемых при модернизации станка 279
6.5.2. Рекомендации по выбору алмазных кругов при затачивании твердосплавных инструментов 287
6.5.3. Применяемые электролиты 289
6.5.4. Наладка и режим работы 290
Заключение 293
Литература 297
Приложение 1.
- Состояние рабочей поверхности круга при разных методах затачивания
- Модель инструментального и обрабатываемого материалов в зоне их контакта
- Поверхность круга после затачивания без СОЖ
- Качество инструмента, заточенного без СОЖ
Введение к работе
Развитие машиностроения на современном этапе связано с возрастающими требованиями к качеству изготавливаемых изделий. Для машиностроителей понятие качества, прежде всего, связано с точностью размеров, геометрической формы, взаимного расположения поверхностей и их шероховатостью, прочностными свойствами деталей. С другой стороны ожидается резкое возрастание применения легких дисперсно-упрочненных металлов и пластмасс в качестве конструкционных материалов, выпуск сталей и сплавов со специальными свойствами повышенной прочности и твердости. Таким образом, со временем придется обрабатывать все большее количество материалов класса высокопрочных и труднообрабатываемых.
Решение встающих проблем механообработки связано с изучением контактных процессов, происходящих в зоне резания (на уровне «микромира») с позиций физики твердого тела и на этой основе управление качеством поверхностного слоя. Действительно в процессе резания чрезвычайно плотный контакт, возникает физическая граница раздела инструментального и обрабатываемого материалов, где закономерно образуется естественный граничный слой (третье тело) или дефектный слой. Процессы, обуславливающие появление этого слоя, совершаются на атомно-молекулярном уровне, осуществляются на активированных участках контакта и, как правило, по мере удаления от режущей кромки (границы раздела) возрастают до определенного максимума и затем постепенно затухают. Граничный слой является продуктом интенсивных адгезионно-диффузионных процессов, о чем, прежде всего, свидетельствует ряд данных, в том числе экспериментально установленных.
О глубоких превращениях поверхностных контактных слоев свидетельствуют специфические состояния отдельных микрообъемов контактной зоны (резкое изменение структуры, пластическая деформация, образование вакансий, дефектов упаковки и др.). Полученные экспериментальные данные убедительно показывают, что при обработке высокопрочных и труднообрабатываемых ма-
териалов, сам процесс шлифования является уникальным генератором энергии, мощность которого в зависимости от свойств обрабатываемого материала, режимов и условий обработки и ряда других факторов может изменяться в широких пределах.
Поскольку трение при шлифовании осложнено интенсивными адгезионными явлениями или схватыванием, а контакт, согласно нашим данным, на всей площади взаимодействия дискретен, то процессы и реакции в граничных слоях концентрируются в малых объемах, где локальная плотность энергии может быть чрезвычайно высока. Таким образом, практически при любых режимах шлифования, независимо от скорости и других условий резания, закономерно воспроизводится контактная обстановка с параметрами, характерными для взрыва или удара, где осуществляются энергоемкие процессы, вплоть до аллотропических превращений, таких как переход алмаза в графит, фазовых и структурных изменениях.
Так в общих чертах можно объяснить появление «третьего тела». Будучи граничным, этот слой принадлежит как инструментальному материалу, так и обрабатываемой поверхности, поэтому интенсивность изнашивания абразивных зерен и качество новой поверхности становится функцией контактных физико-химических процессов и реакций. С этих позиций, с одной стороны, особое значение приобретает такое свойство инструментального материала, как химическая инертность по отношению к обрабатываемому, а с другой, очень важно правильное сочетание инструментального материала с обрабатываемым и с внешней средой.
Именно эти обстоятельства являются основополагающими при выборе эффективной области применения всех шлифовальных кругов и, прежде всего, из сверхтвердых материалов - алмаза и кубического нитрида бора, работающих на напряженных тепловых режимах, где роль диффузионных процессов и химических реакций особенно велика.
В связи с этим обстоятельством, а также развитием машиностроения в направлении глубокой и всеобъемлющей автоматизации на базе широкого
применения станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, различных интегральных гибких станочных систем, где требования к качеству и надежности инструмента особо велики, резко повышается роль операций затачивания в. В частности, разработка рациональных условий затачивания твердых сплавов составляет ныне серьезную и актуальную научно-практическую задачу. Дело в том, что интегральный критерий качества - стойкость режущего инструмента, мало дает для понимания природы этого важнейшего показателя. Научный же аспект качества чрезвычайно емок и многообразен. Он требует исследований на всех уровнях: макро-, микро- и субмикро-.
Процесс затачивания — область, в которую входит настоящее исследование — представляет собой разновидность процесса резания и подчиняется общим его законам. В то же время любой акт резания лезвийным или абразивным инструментом представляет собой процесс разрушения, при котором удаление срезаемого слоя неизбежно связано и с нанесением «травмы» вновь образованным поверхностям, в нашем случае — не только затачиваемой, но и смежной. Эти поверхности, их дефектный слой, а следовательно качество, и надежность инструмента формируются в граничной зоне взаимодействия круга с инструментом. Несомненно, что важную роль здесь играют физико-химические явления, однако, адекватный механизм образования рабочего слоя инструмента мало изучен, а состав и природа его остаются спорными.
Исследования, выполненные в последние годы Тульским, Харьковским, Челябинским университетами, институтом сверхтвердых материалов НАН Украины, МВТУ им. Н.Э.Баумана, институтом электрохимии РАН, ЭНИМС, ВНИИинструмент, а также нашим коллективом и др., показывают, что одним из перспективных видов затачивания твердосплавных режущих инструментов является электроалмазное шлифование. Среди прогрессивных электроалмазных методов шлифования и затачивания следует отметить электрохимические и электрозионные методы. Они отличаются от других высокой производительностью. Однако из-за низкого качества обработанных поверхностей эти методы рекомендуют в основном для черновой обработки.
С точки зрения повышения качества, и производительности заслуживает внимания комбинированный электрохимический метод, который состоит в одновременном электрохимическом растворении затачиваемой поверхности и непрерывной правке круга (МДТ).
Все исследования, количественные и качественные, выполнены в процессе затачивания различных твердосплавных инструментов алмазными кругами на металлических связках. Всего исследовано более 40 различных марок кругов. В качестве основного метода применялся МДТ и его разновидности: шлифование с непрерывной электрохимической правкой круга; алмазное электрохимическое шлифование и для сравнения шлифование без СОЖ. Проведены следующие экспериментальные исследования. Исследования радиальной силы резания, режущей способности, удельного расхода алмазных кругов, мощности резания, себестоимости операции затачивания, шероховатости обработанной поверхности, микротвердости твердосплавных пластин, дефектных слоев после обработки, стойкости инструмента выполнены на различных режимах резания при различных методах обработки. На каждом этапе даны сравнительные оценки и установлены рациональные режимы обработки. При изучении природы, структуры, элементного и фазового состава контактирующих поверхностей применялись методы металлографического анализа, растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа.
В первой главе рассмотрены общие вопросы обеспечения работоспособности алмазных кругов на металлической связке, рассматриваются причины потери и способы восстановления режущей способности алмазных кругов, состояние рабочей поверхности круга, удельный расход алмазов при различных методах затачивания. Анализируются взгляды на процесс засаливания и формирования качества твердосплавного инструмента в различных условиях затачивания.
Вторая глава посвящена анализу различных схем процесса электроалмазного затачивания твердосплавных инструментов и установлению критерия работы алмазных кругов на металлической связке в режиме самозатачивания. Также разработке теории контактного взаимодействия инструментального и
обрабатываемого материалов.
В третьей главе изучена природа засаливания алмазных кругов на металлической связке, строение и топография изменения поверхности алмазного слоя круга. Особое внимание уделено формированию поверхностного слоя при затачивании без СОЖ, поскольку в этом процессе удается полнее выявить вторичные структуры, ответственные за засаливание круга. Анализируются причины потери работоспособности алмазных кругов и выдвигаются предложения для устранения этого «вредного» влияния.
В четвертой главе изложены результаты изучения механизма образования дефектного слоя на заточенном твердосплавном инструменте, показаны размеры этих слоев, дана общая классификация дефектов и выявлены доминирующие дефекты в различных процессах затачивания. Анализ полученных данных позволил более дифференцированно рассмотреть виды дефектов и на этой основе скорректировать и расширить ранее сформулированные показатели качества заточенного твердосплавного инструмента.
В пятой главе представлены исследования основных показателей процесса комбинированного электроалмазного затачивания режущих инструментов, показана связь их с режимами и условиями обработки. Особое внимание уделено исследованиям режущей способности, удельному расходу алмазных кругов, шероховатости обработанной поверхности, эффективной мощности резания.
В шестой главе излагаются результаты исследования качества твердосплавного инструмента, заточенного комбинированным методом Изучена стойкость и комплексный показатель качества твердосплавных резцов, заточенных разными методами. Исследования выполнены в лабораторных и реальных условиях производства 43ПТ, ЧАЗ, ПТЗ. Даны рекомендации промышленности по рациональным режимам затачивания твердосплавного инструмента, модернизации заточного и шлифовального оборудования под процессы комбинированной электроалмазной обработки, условиям безопасности, выбору кругов и другим вопросам организации затачивания инструмента.
В заключении приведены основные выводы работы.
Состояние рабочей поверхности круга при разных методах затачивания
Для оценки состояния поверхности круга используется ряд методов, связанных с наблюдением и стереофотографированием рабочей поверхности круга с помощью бинокулярного микроскопа [74]. Авторами [89, 93, 138] проведены исследования макро- и микронеровностей на поверхности круга с помощью щупового прибора. В работе [139] состояние поверхности круга оценивалось по количеству отпечатков с обрабатываемой детали, а также методом последовательных шлифов на высоте абразивной поверхности.
В приведенных работах в основном исследовались геометрические показатели поверхности, позволившие рекомендовать механические режимы обработки с позиций производительности и шероховатости обработанных поверхностей.
В работе [143] показано, что из числа выступающих зерен только 11 % участвуют в съеме припуска.
В литературе [89] предлагается оценка рельефа режущей поверхности круга с помощью интегральных характеристик, включающих режущую способность, силы резания или мощность, гидродинамические свойства поверхности, шероховатость обработанной поверхности, электроконтактное сопротивление, тепловой и температурный режим в зоне обработки.
Потеря режущей способности кругов может возникнуть в результате различных причин [95]:1) выкрашивания (разрушения) микрочастиц зерен вследствие ударного характера резания; 2) изнашивания по определенным механизмам вершин зерен и появления на них площадок износа;3) выравнивания неизношенных зерен из связки;4) одновременного действия всех причин.
Основным видом изнашивания алмазов АСО и АСР является поверхностное выкрашивание с постоянным образованием большого количества режущих кромок, а АСВ и А при предельных значениях глубины резания подвергаются объемному разрушению, а также расшатыванию и сдвигу зерен в связке [41]. По мнению авторов [98], у алмазов малой прочности ведущим видом изнашивания являются сколы, количество которых увеличивается с ростом глубины резания и прочностных показателей обрабатываемого материала. Допускается возможность графитизации алмазов [36,49, 98, 177].Отмечается [82] интенсивное окисление алмазов в кислороде при температуре 588 С и выше.
В [15, 71] показано, что при температурах 1000...1400 С, которые возникают при шлифовании, в течении 2...3 минут после начала резания происходит снижение прочности алмазов в 2...5 раз. Подобное снижение прочности алмазных зерен наблюдалось после их нагрева в различных средах. Нагрев алмазов до 1000..Л200 С в водороде [15], окиси углерода [36], вызывает заметное потемнение включений внутри зерен, появление трещин и раковин, а также выделение графита. Механизм влияния газовых сред на процесс графитизации рассмотрен в [134]. Приводится Растворение алмазов в кобальте с выделением графита, а также эвтектики Со-С. Переход графита в алмаз и, наоборот, из алмаза в графит под действием ударных нагрузок исследован [3]. Образование пленки графита и его диффузия при температуре исследована [101].
Исследования, проведенные Т.Н.Лоладзе и Г.В.Бокучавой [66] позволили констатировать, что алмазные зерна при резании подвергаются абразивному, адгезионно-усталостному, диффузионному, химическому, окислительному и другим видам изнашивания. При этом в одних случаях преобладает один из видов изнашивания, в других износ, как правило, вызван суммарным протеканием нескольких видов одновременно. Этой точки зрения придерживаются и другие исследователи [9, 68, 100, 103, 131].
Результаты исследований [41, 136] показывают, что при обработке твердого сплава преобладает адгезионный износ. Наличие при шлифовании адгезионного изнашивания установлено рядом исследователей [7], Отмечается юве-нильность и адгезионное схватывание между металлом и зернами алмаза [136], т.к. хрупкая прочность алмазных зерен не велика, последние разрушаются в первую очередь и уносятся стружкой. Схватывание начинается при определенных температурах и давлениях, возникающих при резании.
Кроме перечисленных причин, потеря режущей способности кругов связана с засаливанием. Согласно [46], этот процесс заключается в том, что при шлифовании поры круга и частично зерна, даже острые, забиваются прилипшей к ним стружкой. Засаливание может происходить, когда для шлифования (аналогично и для затачивания) выбран круг не той структуры, которая требуется для данной работы, не та связка, твердость и зернистость круга [41, 50, 95].В случае затачивания твердого сплава при засаливании происходит наслоение на вершинах абразивных зерен кобальта и вольфрама, из-за пластичности кобальта больших температурах [46],
Теория засаливания шлифовальных кругов, приводящая к потере режущих свойств и необходимости правки, пока не разработана.В литературе [46, 136, 138] господствует точка зрения, согласно которой основная причина этого явления кроется в забивании пор между абразивными зернами и связкой мелкодисперсными частицами (шламом) и образованием спрессованного слоя, закрывающего выступающие зерна. Согласно [136], засаливание начинается с образования наростов на зернах.
Тем не менее, на природу засаливания нет единого взгляда. Авторы [105, 130] отмечают, что выступы и впадины субмикропрофиля поверхности абра зивного зерна являются первичными очагами засаливания - адгезии к абразивным зернам частиц металла. Первичным актом засаливания является локальное схватывание активированного (нагретого до высоких температур и пластически деформированного) металла с выступами субмикропрофиля при контакте абразивных зерен с обрабатываемым материалом. При последующих контактах наряду с адгезией металла к абразивным зернам происходит адгезия металла изделия к металлу, налипшему на абразивное зерно. Вследствие прогрессирующей адгезии заполняется металлом впадины субмикропрофиля абразивных зерен, а затем вся рабочая поверхность абразивных зерен покрывается металлом. В поры круга попадают отдельные стружки и спрессованный металл, сдвигаемый в поры с поверхностей абразивных зерен [136]. При повторных контактах засаленного абразивного зерна с шлифуемым изделием часть стружек под воздействием центробежных сил удаляется из пор, а часть стружки, запрессованной в поры и удерживаемой силами адгезии на боковых поверхностях абразивных зерен, остается в порах, прочно соединяясь со связкой.
Если придерживаться распространенной точки зрения, что засаленный слой - это упрочненный обрабатываемый материал, налипший на зернах и забившийся в поры между ними, то тогда непонятно, силами какого происхождения этот слой удерживается на поверхности круга. Это тем более непонятно, что с увеличением степени засаливания силы растут, непрерывно повышаются нагрузки на алмазный слой, и тем не менее процесс засаливания продолжается. Далее, через некоторое время после начала работы зерна практически полностью закрыты и в работе не участвуют.
Обе точки зрения не дают ответа на эти и ряд других вопросов. Такой чисто механистический подход не позволяет раскрыть саму сущность этого сложного механо-физико-химического явления. Дело в том, что рабочая поверхность круга является не чем иным, как контртелом фрикционной пары (а точнее, множеством микропар).Чтобы понять главное в процессе засаливания необходимо изучить строение поверхностного слоя круга, его структуру, силы связи засаленного
Модель инструментального и обрабатываемого материалов в зоне их контакта
Изучение предполагается провести по аналогии с классической теорией упругости. В основе лежат законы Ньютона о взаимодействии материальных точек. В соответствии с ними одним из основных понятий механики является понятие силы. Модель силы определяется тремя главными количественными сторонами: интенсивностью, направлением действия и точкой приложения. Такому определению полностью отвечает образ вектора. Действуя на материальную точку, сила F вызывает ее перемещение и и совершает работу:
Опираясь на сказанное выше, в механике введены представления об объемно, поверхностно, линейно распределенных и сосредоточенных силах.
Классическая механика деформируемого твердого тела считает, что под влиянием внешних воздействий между частями произвольного тела возникают внутренние взаимодействия. Для их исследования в окрестности произвольной внутренней точки М используется принцип разрезания [120]. Тело мысленно разрезается плоскостью или другой гладкой поверхностью, проходящей через М, на две части А и В. Ориентация сделанного сечения в бесконечно малой окрестности U(M) точки М характеризуется единичной нормалью п. Предполагается, что тело в целом под действием системы внешних сил находится в равновесии. Каждая из выделенных частей при этом также находится в равновесии.
Пусть SA - внешняя граница Л, SAB - упомянутая выше поверхность, разделяющая А и В. Тогда, если на А вдоль SA, действовали поверхностные силы,а на его внутренние точки - объемные; то для того, чтобы тело А находилось в равновесии, в соответствии с принципом разрезания в классической механике допускается, что действие В на А вдоль SAB эквивалентно действию на А силы,распределенной по SAB с некоторой плотностью:
Считается также, что для различных способов разбиения тела на части, причем таких, что выбранная точка М все время принадлежит SAB, вектор ст = ст(М)зависит от ориентации Я, то естьЭта зависимость линейна [106]: где Т- тензор напряжений Коши.Для упругих материалов допускается возможность существования потен циала w = wgV Jвнутренних сил. Тогда напряженное состояние среды характе ризуется тензором:где J — отношение объема элементарной частицы в актуальной конфигура-V Gі ции к ее объему в отсчетной конфигурации; Z - первый градиент перемеще 1 ний, Z = VH .
Следовательно, независимое от g введение Г на основании анализа равновесия тетраэдра Коши и введение тензора напряжений посредством использования понятия потенциала в классической механике эквивалентны друг другу.
В данной работе предполагается, что внутреннее напряженное состояние инструментального и обрабатываемого материалов характеризуется потенциалом w, который зависит не от одного, а от двух независимых друг от друга тен 1 2зоров деформации, g, g, которым соответствуют два независимых друг от дру га тензора напряжений. Здесь g = Z-Z ; Z = V w - второй градиент перемещений.
Для построения уравнений динамики возможно использование вариационного принципа Гамильтона - Остроградского [106]. В этом случае необходи мые равенства для законов сохранения импульса и момента импульса получаются из условия инвариантности энергии тела по отношению к жестким перемещениям. Сформулированные для сплошного деформированного тела законы сохранения являются следствием соответствующих законов аналитической механики [106], опирающейся на представление о перемещении и как изменении (м = R - г) положения частицы в пространстве, и на понятие силы - вектора F, вызывающей это изменение. Векторы и и F удовлетворяют системе аксиом Ньютона. В связи с введением второго тензора деформации g возникает задачатакого описания напряженного состояния, которое не противоречило бы законам ньютоновской механики материальной точки.
С учетом сказанного выше для описания свойств инструментального и обрабатываемого материалов в деформированном состоянии предложено следующее соотношение:где gjj, Zyk — компоненты классического тензора деформаций и второго градиента перемещений в базисе &k 5д - символ Кронекера; ек — компоненты вектора F; цД — коэффициенты Ламе; й,тг0 - дополнительные постоянные, введенные в теории [120] для учета свойств упругой среды.
Индексы после запятой означают дифференцирование по координате с соответствующим номером. Компоненты текущих значений тензоров напряже 1 2ний Р и Р определяются дифференцированием правой части (2.22) по gtj и 2ук соответственно.
Допускается, что система внешних воздействий определяется объемно и поверхностно распределенными силами, совершающими работу на перемещениях и (г) точек г объема V и поверхности S соответственно. Их плотности:f{r), геК.и о(г), г є S. Это классические виды внешних воздействий. Предполагается, что наряду с ними произвольное тело способно воспринимать гиперсилы. Это обобщенные силы, совершающие работу на обобщенных перемещениях, которыми являются Уйн, - градиенты вектора и в направлениивнешней к S единичной нормали Я, определенные на поверхности S. Их поверхностная плотность т является тензором второго ранга.
Для построения уравнений динамики контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов используется принцип Гамиль-тона-Остроградского [106]:времени, в которые положения частиц, составляющих изучаемое произвольное тело, считаются заданными и поэтому при t = /овеличина Ш = о; К — кинетическая энергия; W— потенциальная энергия; А - работа внешних воздействий.
Для величины К предполагаетсяТочка вверху означает дифференцирование по времени.Для К можно получитьгде а = ЇІ - ускорение центра инерции элементарной частицы.Опираясь на гипотезу о том, что w \AZ;Z по частям, для вариации 5Смежно получить: и используя интегрирование
Поверхность круга после затачивания без СОЖ
После затачивания твердого сплава без СОЖ (рис.3.4) практически вся поверхность круга закрыта засаленным слоем, и только небольшие участки находятся вне его. На засаленном слое видна сеть микротрещин (рис.3.4, а). Во время экспериментов было видно, что в начальный момент резания засаливание идет медленно, а потом достаточно быстро. Можно предположить, что лишь в начальный момент резания, когда зерна находятся в хорошем состоянии, температура и сила резания относительно небольшие, засаливание идет менее интенсивно. По мере затупления зерен круг быстро теряет свою режущую способность, растет сила и температура, энергия в граничных слоях повышается, активизируются процессы, ответственные за засаливание. Круг полностью или почти полностью теряет свою режущую способность, вследствие чего резание переходит в трение и пластическую деформацию.
Поверхность круга покрывается засаленным слоем и, хотя при этом остаются нетронутыми небольшие участки, где имеются алмазные зерна, способные резать (что наблюдается на рис.3.4, б), эти зерна в процессе резания не участвуют, т.к. вершины зерен находятся ниже уровня засаленного слоя. Если даже отдельные из них и участвуют в резании, то на их долю приходится вся нагрузка, и они быстро вырываются или разрушаются.
Спектр (рис.3.5, а), представленный с этого участка, показывает, что поверхностный слой круга состоит в основном из элементов, принадлежащих обрабатываемому материалу. Линии связки круга здесь забиты линиями обрабатываемого материала, кроме А1, хотя интенсивность ее по сравнению с эталоном значительно ниже. Линии М, Си, хотя и присутствуют на спектре, но находятся практически на уровне фона.
Данные рентгеновских исследований представлены на рис.3.5 (б). Следует отметить, что на рентгенограмме появилось много линий, не значащихся на эталонной. Индицирование этих линий позволило установить, что они относятся к фазам твердого сплава, WC и СО. Появились совершенно новые фазы, такие как а—Со, pV-Co, СоО, W02, WSi2 и W2C. Интенсивность основных линий, принадлежащих связке круга, резко ослаблена.
Причиной засаливания поверхности шлифовального круга следует считать адгезию материала обрабатываемого инструмента к поверхности алмазного круга. Первоначально — это микроостровки (в соответствии с островковым механизмом процесса адгезии). Затем одновременно происходят два процесса -диффузия налипшего материала в глубину связки круга, что в определенной степени уравнивает осредненные механические и физические свойства ее приповерхностного слоя со свойствами налипающего слоя и облегчает дальнейшее прохождение налипания, и налипание новых слоев на ранее образовавшиеся островки, в результате которого образуется сплошная пленка.
Поскольку процесс диффузии является в этой ситуации в какой-то мере вторичным (он начнется лишь после налипания определенного количества инородного по отношению к связке круга вещества) по отношению к адгезии, проверке должна быть подвергнута прежде всего гипотеза об адгезионной причине засаливания. Для этого были проведены дополнительные экспериментальные [152, 153,154] и теоретические исследования.
Спектр поверхности круга до его участия в процессе шлифования полностью соответствует химическому составу его связки - А1, Си, Ni, Zn, Sn, Si. Основными элементами, составляющими материал обрабатываемого инструмента, являются WC, TiC, W, Со, Fe, Ті. Спектр поверхности круга после затачивания инструмента, содержащего эти элементы, свидетельствует о наличии этих элементов (кроме Ті) на поверхности круга. Это говорит в пользу того, что частицы, содержащие их, оторвавшись под действием сил резания от обрабатываемой поверхности, слиплись (вступили в состояние адгезии) с материалом связки круга так, что механические воздействия, появляющиеся в процессе шлифования, не смогли сбить их с поверхности круга. О наличии таких сил свидетельствует сеть большого числа микротрещин в засаливающем слое, замеченных на фотографии поверхности. Характерно, что Ті на поверхности круга не обнаружено. Скорее всего, он не способен слипнуться со связкой круга в такой же степени, в какой это произошло с W, Со, Fe.
Качество инструмента, заточенного без СОЖ
Исследованиями, проведенными ранее [151] и представленными в третьей главе, показано, что затачивание без СОЖ кругами на металлической связке сопровождается интенсивным засаливанием, ростом температуры в зоне контакта, радиальной силы Ру и резким увеличением расхода алмазов в связи с необходимостью частой правки круга, В целом создаются столь напряженные и тяжелые условия обработки, при которых резание становится возможным только при принудительной подаче, однако и в этом случае результаты такого процесса резания малоэффективны (малый съем металла, низкое качество затачивания и так далее).
Анализ состояния заточенных твердосплавных поверхностей после затачивания всухую указывает на то, что они имеют ряд серьезных дефектов, выраженных, прежде всего, в виде сколов и вырывов на режущей кромке, прижо-гов и микротрещин, а также структурных изменений поверхностного слоя.
В качестве примера на рис.4.2 представлены внешняя картина заточенной (задней) и смежной (передней) поверхностей, наиболее полно отражающих первую группу показателей качества.
Следует отметить, что дефекты на заточенных и прилегающих к ним поверхностях, за исключением некоторых особенностей, в основном сходны между собой и типичны для исследованных марок твердых сплавов. Поэтому в последующих разделах дефекты, иллюстрируемые на одной марке твердого спла ва, могут быть приняты в качестве типичных и характерных для других твердых сплавов.
Заточенная поверхность твердого сплава ВК8 (рис.4.2, а), исследованная на металлографическом микроскопе МИМ7, несет на себе налипы и «навалы» обрабатываемого материала со следами пластической деформации; вид контакта — характерен для адгезионно-абразивного взаимодействия. Имеются отдельные глубокие борозды, оставленные вырванными и свободно перекатываемыми алмазными зернами. Вдоль режущей кромки (рис.4.2, б) наблюдаются систематические сколы и вырывы целых блоков твердого сплава. Это связано с тем, что в процессе затачивания алмазные круги интенсивно засаливаются, вследствие чего такая обработка вызывает прижоги, видимые простым глазом или при небольшом увеличении. На рис.4.2 (в) четко видны микротрещины на твердом сплаве Т15К6, хотя обычно они выявляются лишь специальными методами. Это свидетельствует о больших размерах микротрещин. Светлый «белый» слой, идущий по заточенной (задней) поверхности, начинается с режущей кромки, имеет достаточно большую протяженность (порядка 150...200 мкм). Можно предположить, что именно он претерпел наибольшие изменения и появился как следствие сложных контактных физико-химических процессов и реакций между засаленным слоем и поверхностью твердого сплава.
Кроме указанных дефектов, можно отметить разрыхление передней поверхности (рис.4.2, г), процесс которого идет особенно интенсивно вблизи режущей кромки. Вероятнее всего разрыхление передней поверхности является результатом механо-физико-химических процессов, а именно деструкции и разрушения карбидов, окисления кобальтовой связки Ti фазы твердого сплава, что, однако, подлежит проверке. Заточенные поверхности и сама режущая кромка пластин Т15К6 ослаблена в большей степени, нежели ВК8, что предположительно можно объяснить большой гомогенностью, меньшим количеством пор, свободного графита, дислокаций у сплава ВК8, чем у Т15К6. Изменения структуры поверхностных слоев и появление ряда искажений кристаллического строения в виде дислокаций, дефектов, упаковки, вакансий и др. могут быть выявлены и оценены по уширению дифракционных линий. На рис.4.3 показана рентгенограмма с поверхности пластины ВК8, типичная и для других сплавов. Не дифференцируя вид дефекта и не давая его количественную характеристику, все же по рентгенограмме можно сказать, что исследуемая поверхность претерпела существенные изменения по сравнению даже с поверхностью, полученной методами, менее ее «травмирующими», например, МДТ. Основные линии рентгенограмм на рис.4.3 принадлежат карбидной фазе WC.
