Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проектирования и эксплуатации алмазных кругов 13
1.1. Анализ производства порошков и кругов из синтетических алмазов в РФ 13
1.2. Современные представления о проектировании алмазных кругов .23
1.3. Анализ рекомендаций по эксплуатации алмазных кругов 37
1.4. Выводы 41
1.5. Цель и задачи исследования 42
Глава 2. Разработка и исследование обобщенной модели изменения положения алмазных зерен в связке 43
2.1. Структурный анализ процесса алмазного шлифования 43
2.2. Систематизация моделей разрушения алмазных кругов 51
2.3. Разработка и исследование модели локальных поворотов алмазных зерен в связке 55
2.4. Разработка и исследование модели сдвига алмазных зерен в связке 103
2.5. Разработка и исследование модели разрушения алмазных зерен 116
2.6. Выводы 151
Глава 3. Исследование закономерностей изнашивания алмазных кругов 153
3.1. Определение оптимальных марок алмазного порошка при минимизации влияния связки 153
3.2. Влияние параметров режима резания на изнашивание алмазных зерен при минимизации влияния связки 161
3.3. Исследование закономерностей изнашивания алмазных кругов 167
3.4. Выводы 177
Глава 4. Обоснование рациональной эксплуатации алмазных кругов 179
4.1. Обоснование механизма влияния СОЖ на критерии работоспособности алмазных кругов 179
4.2. Выбор оптимальной скорости резания при алмазном шлифовании 191
4.3. Обоснование механизма влияния условий эвакуации стружки на критерии работоспособности алмазных кругов 196
4.4. Выводы 229
Глава 5. Расчетно-экспериментальный метод проектирования алмазных кругов 231
5.1. Анализ условий, ограничивающих повышение работоспособности алмазных кругов 231
5.2. Исследование связи между критериями работоспособности и условиями разрушения и изнашивания алмазных кругов 247
5.3. Алгоритм расчетно-экспериментального метода проектирования алмазных кругов 262
5.4. Выводы 268
Глава 6. Практическая реализация результатов исследований 271
6.1. Внедрение алмазных кругов для шлифования сортового и художественного стекла 271
6.2. Внедрение алмазных кругов для шлифования твердых сплавов 274
6.3. Выводы 283
Основные выводы 284
Список литературы 288
Приложение 317
- Современные представления о проектировании алмазных кругов
- Систематизация моделей разрушения алмазных кругов
- Влияние параметров режима резания на изнашивание алмазных зерен при минимизации влияния связки
- Выбор оптимальной скорости резания при алмазном шлифовании
Введение к работе
Актуальность работы. Анализ типов алмазных кругов, номенклатуры производства алмазных порошков, сравнение свойств синтетических алмазных зерен, получаемых фирмами Российской Федерации и ведущими иностранными фирмами, показали, что имеются объективные предпосылки для создания и сбыта высококачественного шлифовального инструмента и, в частности, алмазных кругов.
Отечественные синтетические алмазные порошки марок АС4 - АС32, микропорошки марки АСН соответствуют по прочности и абразивной способности порошкам и микропорошкам ведущих иностранных фирм (GE Superabrasives, По Beers и др.).
Однако расширение производства и экспорта алмазных кругов стандартного качества экономически нецелесообразно из-за повышенного удельного расхола алмазов. Кроме того, не решены вопросы рационального сочетания современных синтетических алмазов с металлическими и органическими связками. Работоспособность отечественных алмазных кругов существенно ниже работоспособное і и кругов ведущих иностранных фирм, что ограничивает экспорт алмазных кругов из Российской Федерации.
Имеющиеся рекомендации по эксплуатации алмазных кругов базируются в основном на экспериментальных данных и недостаточно систематизированы.
Таким образом, существует проблема повышения конкурентоспособности и расширения производства в Российской Федерации высококачественных алмазных кругов.
Для решения этой проблемы необходимо проведение работ по научно-техническому обоснованию;
рациональных систем «алмазное зерно - связка»;
методов проектирования высококачественных алмазных кругов;
рациональных условий эксплуатации алмазных кругов.
Цель работы - повышение эксплуатационных характеристик алмазных кругов на основе научного обоснования эффективного функционального состояния системы «алмазное зерно - связка» и создания на его основе методик рационального проектирования и эксплуатации алмазных кругов.
' Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи' исследования:
1. Научное обоснование условий сохранения режущих свойств алмазных зерен на основе моделей систем «алмазные зерно - связка» с исследованием условий нагружения.
' 2. Выбор эффективных марок алмазных порошков и связок кругов. ' ' 3. Определение условий рациональной эксплуатации алмазных кругов на основе обоснования механизмов влияния критических режимов шлифования, СОЖ и условий эвакуации стружки на критерии работоспособности алмазных кругов.
4. Исследование связей работоспособности ^алмазных крутой с условиями
разрушения и изнашивания кругов. . сие. иацйональн Я I
У \ БИБЛИОТЕКА |
. 4
-
Систематизация условий, ограничивающих повышение работоспособности алмазных кругов с разработкой методик снятия ограничений.
-
Разработка метода проектирования алмазных ,кругов с использованием современных алмазных порошков в сочетании с различными типами связок.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием теории технических систем, теории прочности материалов, математической теории упругости, теоретической механики, теории резания и шлифования материалов, с использованием методов вычислительной математики.
Экспериментальные исследования проводились по стандартным и разработанным автором методикам в лабораторных и производственных условиях на современном оборудовании и специальных экспериментальных установках с использованием современной отечественной, и импортной контрольно-измерительной аппаратуры. Результаты экспериментов обрабатывались статистическими и графо-аналитическими методами.' > .
На защиту выносятся:
соотношения типов разрушений в системе «алмазное зерно - связка» в виде локальных поворотов, сдвигов и разрушений собственно алмазных зерен;
обобщенная модель сохранения' положения алмазных зерен в связке, включающая модели локальных поворотов, сдвига и разрушения алмазных зерен;
основы выбора рациональной марки алмазного порошка на основе исследования изнашивания алмазных зерен при минимизации влияния связки;
порядок выбора связки на основе определения оптимальной скорости изнашивания связки относительно алмазных зерен;
обоснование механизмов влияния критических режимов шлифования, СОЖ и условий эвакуации стружки на удельный расход алмазов;
установленная связь между работоспособностью алмазных кругов и условиями их разрушения и изнашивания;
комплекс методик определения условий, ограничивающих повышение работоспособности алмазных кругов.
Научная новизна.
Научно обоснованы условия эффективной режущей способности ансамбля алмазных зерен в системе «алмазное зерно - связка» на. основе установления соотношений разрушений систем в виде локальных поворотов, сдвигов и разрушений, происходящих независимо, последовательно или параллельно друг другу и создания элементарных моделей разрушения..
Впервые создана модель потери режущей способности алмазных зерен в результате доминирующих локальных поворотов алмазных зерен в связках на органической основе (свыше 50%) силами резания при достижении критических напряжений на сферической поверхности, описанной вокруг алмазного зерна.
Обоснованы условиясозданяя высококачественных алмазных кругов с алмазными зернами повышенной прочности на основе их сочетания со связками определенных физико-механических свойств.
Практическая ценность. На основе исследований разработаны:
расчетно-экспериментальный метод проектирования алмазных кругов, включающий в себя расчетные и экспериментальные методики, защищенные патентами РФ;
рекомендации по рациональной эксплуатации алмазных шлифовальных кругов на основе обоснованных механизмов влияния критических режимов шлифования, СОЖ и условий эвакуации стружки на работоспособность кругов;
технические условия для изготовления алмазных кругов ТУ 3974-001-07622006-2001 «Порошки алмазные металлизированные», ТУ 3974-002-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на металлических связках», ТУ 3974-003-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетические алмазные, предназначенные на экспорт», ТУ 3974-004-07622006-2001 «Микропорошки синтетические алмазные, предназначенные на экспорт», ТУ 3974-005-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на органических и металлоорганических связках».
Реализация результатов работы. Расчетно-экспериментальный метод проектирования, научные рекомендации по рациональной эксплуатации и технические условия изготовления алмазных шлифовальных кругов внедрены на заводах ОАО «ВеАл» и ОАО «Венфа», производящих 28% алмазного шлифовального инструмента и 53% порошков из синтетических алмазов в Российской Федерации (данные 2001 г.).
Разработанные алмазные круги на металлических связках серийно выпускаются и реализуются на 156 предприятиях Чехии, Словакии, Польши и Венгрии, традиционно изготавливающих изделия из сортового и художественного стекла. Разработанные алмазные круги заменяют круги ведущих чешских фирм «Dias», «Pramet». Разработанные «технические условия ТУ 3974-002-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на металлических связках» также постоянно используются на ОАО «ВеАл» и ОАО «Венфа» при производстве алмазных кругов на металлической связке для ОАО «Дять- ковский хрусталь» (г. Дятьково), ООО «Хрустальный завод» (г. Гусь-Хрустальный), ОАО «Саратовстройстекло» (г. Саратов), ГУП «Завод Красный Гигант» (г. Никольск, Пензенская область), ОАО «Первомайский стеклозавод» (Смоленская область), ЗАО «Золотковский хрусталь» (Владимирская область).
Разработанные алмазные круги на органических связках для чернового и чистового шлифования с применением и без применения СОЖ серийно выпускаются для шлифования твердых сплавов, а также металлорежущего инструмента на предприятиях Чехии, Болгарии, Турции, Австралии. Такие алмазные круги заменили алмазные круги ведущих зарубежных фирм «Winter», «Wendt», «Lach» и «Wollmer» (Германия). Разработанные технические условия ТУ 3974-005-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на органических и металлорганических связках» и ТУ 3974-001-07622006-2001 «Порошки алмазные металлизированные» используются на ОАО «ВеАл» и ОАО «Венфа» при производстве алмазных шлифовальных кругов на органических связках для отечественных предприятий. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 1,7 млн. руб. (в ценах 2001 г.)
И'-.: Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на международных научно-технических и научно-практических конференциях «Алмазный инструмент» (Москва, 1998, 1999), «Конструкторско-техническая информатика» КТИ - 2000 (Москва, 2000), «Качество машин» (Брянск, 2001), на Всероссийских научно-технических конференциях «Наука - производство - технологии - экология» (Вятка, 2001), «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2001), на региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2000).
Практические результаты работы экспонировались на международных выставках и выставках-конференциях «Интеринструмент - 98» (Москву Д998), «Интеринструмент - 1999» (Москва, 1999), «Металлообработка -2000» (Москва, 2000), «Металлообработка - 2001» (Минск, 2001), «Машиностроение -г 2001» (Москва, 2001), «Металлообработка, станки и оборудование» (Казань, 2001), «Машиностроение - 2001» (Уфа, 2001), «Станкостроение - инструменты 2001» (Нижний Новгород, 2001), «Мир инструмента - 2002» (Москва, 2002), «УралПо-литех - Машиностроение» (Екатеринбург, 2002), «Металлообработка - 2002» (Москва 2002), «Металлургия и машиностроение» (Ростов-на-Дону,'2002).
В полном объеме диссертация доложена и обсуждена на научных семинарах в Институте сверхтвердых материалов НАН Украины (Киев, 2000), в Государственном научном центре РФ Научно-производственного объединения по технологии машиностроения (Москва, 2002), во Всероссийским 'научно-исследовательском институте природных, синтетических алмазов и инструментов (Москва, 2002), в Тульском государственном университете (Тула, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе: 1 монография, 10 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 354 страницы, в том числе 315 страниц машинописного текста, 170 рисунков, 7 таблиц, 316 наименования литературы и 39 страниц приложений.
Современные представления о проектировании алмазных кругов
Для повышения экономической эффективности алмазного шлифования и достижения качества алмазных кругов ведущих иностранных фирм необходимо правильно определять параметры структуры алмазных кругов. Проектированию структуры алмазных кругов в зависимости от условий шлифования посвящены следующие работы [37], [58], [69], [70], [105], [142], [165], [166], [215], [298].
Анализ опубликованных работ показывает, что отсутствует научно-обоснованный метод создания структур алмазных кругов, определяющий по 24 следовательность процесса проектирования и изготовления. Имеющиеся работы посвящены решению отдельных задач комплексного процесса проектирования. Наиболее значимые работы в этом направлении можно разделить на аналитические (расчетные) и экспериментальные [69], [70], [75], [142], [215].
Технико-экономические показатели шлифования зависят от сохранения начального положения алмазных зерен из сверхтвердых материалов (СТМ) в связке. При недостаточном удержании режущие алмазные зерна из СТМ удаляются из связки неизношеиными и потенциальные свойства алмазных зерен не используются. Для повышения эффективности шлифования авторы работ [69], [70], [75], [142], [215] разработали модели удержания алмазных зерен из СТМ в связке и определили пути улучшения качества удержания алмазных зерен из СТМ в связке.
Анализ литературных данных [69], [70], [75], [142], [215] показал недостатки существующих моделей удержания алмазных зерен из СТМ в связке: 1. Недостаточно точно описывается напряженное состояние в подсистеме «алмазное зерно - связка» из-за упрощения формы алмазных зерен в виде куба или прямоугольного параллелепипеда, а не в форме эллипсоида, а [142] [69], [70], [215]. При этом не соблюдены реальные пропорции размеров сторон параллелепипеда. 2. Не учтены касательные напряжения, имеющие решающее значение в удержании алмазного зерна из СТМ в связке. 3. Необоснованно выбрана ось поворота алмазного зерна из СТМ при изменении положения алмазного зерна в связке. 4. При схематизации не учтено наличие опоры за алмазным зерном, образовавшейся из-за того, что в процессе работы алмазное зерно защищает связку от износа позади себя. Это существенно влияет на возможность поворота алмазного зерна [308].
Автор работы [142] считает, что главной задачей в проблеме прочности алмазных зерен является установление корреляционных связей режущей спо 25 собности и прочности алмазных зерен при испытаниях в условиях, близких к возникающим в процессе обработки. Влияние схемы испытаний на показатели прочности хорошо видны из опыта, описанного Н.И. Богомоловым [20]. При вдавливании в обрабатываемый материал закрепленных алмазных зерен из карбида кремния предельное значение разрушающих алмазное зерно нагрузок составляло 3x10" Н. В процессе же микрорезания (при дополнительном действии тангенциальной составляющей силы резания) значение нормальной силы в момент разрушения составляло 10"2 Н, то есть уменьшалось в 30 раз.
Поскольку, по мнению автора работы [142], экспериментальное определение связи затупления алмазных зерен и их разрушения связано с большими трудностями для анализа этого явления, был использован аналитический подход с использованием положений механики сплошной среды. Применена механическая модель процесса разрушения хрупких абразивных зерен с различной формой выступающей из связки части, отражающей различные стадии износа зерен и зависящей от характера взаимодействия абразивного и обрабатываемого материалов [142]. Это позволило уточнить механизм износа алмазных зерен и на этой основе выявить пути снижения износа алмазных кругов и повышения их работоспособности. На основании анализа литературных источников и экспериментальных исследований автором работы [142] утверждается, что основными факторами, определяющими процесс разрушения алмазных зерен алмазных кругов, являются характер затупления вершин режущих алмазных зерен, силы резания и выступания алмазных зерен над уровнем связки.
При математическом моделировании разрушения круга автором работы [142] приняты следующие допущения:
1. дефекты на поверхности алмазных зерен распределяются равномерно, и развивается та трещина, которая находится в месте действия наибольших растягивающих напряжений;
2. разрушение алмазных зерен происходит иод действием силы Pz. Это вызвано особенностями шлифования металлов кругами из сверхтвердых абра 26 зивных материалов, заключающимися в отличиях процесса стружкообразова-ния при шлифовании и связанным с этим большим выступанием алмазных зерен над уровнем связки. Так, при исследовании выступания алмазных зерен над уровнем связки установлено, что выступание алмазных зерен зависит от условий шлифования и прочности алмазных зерен и при обработке алмазными кругами сталей составляют 0,2 - 0,4 величины алмазных зерен (зернистость составляла 160/125 — 315/250). Изучение этого факта позволило объяснить данные практики применения алмазных кругов, заключающиеся в эффективном использовании более прочных марок алмазных зерен для обработки менее прочных металлов и сплавов, обеспечивающих меньшие значения сил резания. Это допущение согласуется с данными работы [314];
3. силы, действующие на алмазное зерно, прилагаются в его вершине, и приняты сосредоточенными. Это объясняется тем, что обычно глубина внедрения алмазных зерен в обрабатываемый материал не превышает 10% величины выступания алмазных зерен над уровнем связки, и так как действие сил обычно находится на значительном расстоянии от места разрушения алмазного зерна, силы можно принять сосредоточенными. Это допущение принято в исследованиях С.Н. Корчака;
4. алмазное зерно удерживается абсолютно жесткой связкой (не учитываются упругие свойства связки). Экспериментальными исследованиями показано, что сам по себе выбор упругих характеристик связки не изменяет принципиально показателей работоспособности кругов из разных алмазных порошков при шлифовании различных металлов и сплавов.
Систематизация моделей разрушения алмазных кругов
Анализ структурной модели алмазного шлифования показал целесообразность отдельного исследования трех взаимосвязанных подсистем: «обраба тываемый материл - алмазное зерно», «обрабатываемый материал - связка», «алмазное зерно — связка». Однако, учитывая взаимное влияние подсистем для самостоятельного изучения подсистем «обрабатываемый материал - алмазное зерно» и «обрабатываемый материал — связка», целесообразно осуществить систематизацию моделей разрушения подсистемы «алмазное зерно - связка».
Анализ разрушения подсистемы «алмазное зерно - связка» осуществляли в соответствии со следующей методикой. Предварительно рабочая поверхность алмазных кругов, работающих как в режиме восстановления режущей способности в процессе резания, так и в режиме потери режущей способности в процессе резания, исследовалась визуально с помощью микроскопов. При наблюдениях установлено, что все случаи разрушения подсистемы «алмазное зерно - связка» целесообразно разделить на три вида, описываемые соответствующими моделями. Варианты разрушений представлены на фотографии рабочей поверхности алмазного шлифовального круга (рис. 2.4).
Первая модель разрушения характеризуется образованием на рабочей поверхности алмазного круга лунки удлиненной формы без остатков разрушившегося алмазного зерна внутри лунки (рис. 2.4). По-видимому, разрушение подсистемы «алмазное зерно - связка» в этом случае происходит в результате усталостного разрушения связки за зерном (сдвиг зерен) из-за превышения предельной нагрузки на связку за зерном. Алмазное зерно при этом не разрушается и под действием подачи обрабатываемого материала, вдавливаясь в связку, образует лунку удлиненной формы. На рис 2.5,6 изображена принципиальная схема рабочей поверхности алмазного круга со следами разрушения подсистемы «алмазное зерно - связка» с образованием лунки удлиненной формы.
Вторая модель разрушения характеризуется образованием на рабочей поверхности алмазного круга лунки, совпадающей по форме с алмазным зерном без разрушения алмазного зерна внутри лунки (рис. 2.5а). По-видимому, разрушение подсистемы «алмазное зерно - связка» в этом случае происходит по границе алмазного зерна со связкой в результате локального поворота алмазного зерна вокруг сферической поверхности, описанной вокруг него из-за разрушения на границе «алмазное зерно - связка». Третья модель разрушения характеризуется образованием на рабочей поверхности алмазных кругов лунки с остатками разрушившихся алмазных зерен внутри лунки (рис. 2.4). На фотографии рабочей поверхности алмазного круга видно разрушившееся алмазное зерно. Об этом свидетельствует трещина, четко различаемая на площадке износа алмазного зерна. Разрушившиеся части алмазного зерна находятся внутри лунки. По-видимому, разрушение подсистемы «алмазное зерно - связка» в этом случае происходит в результате усталостного разрушения алмазного зерна из-за превышения предельной нагрузки на него. На рис. 2.5,в изображена принципиальная схема рабочей поверхности алмазных кругов со следами разрушения подсистемы «алмазное зерно - связка» с образованием лунки, совпадающей по форме с алмазным зерном, с остатками разрушившегося алмазного зерна внутри лунки.
На основе проведенных исследований рабочей поверхности алмазных кругов был сделан вывод о том, что обобщенная модель разрушения структуры кругов, работающих как в режиме восстановления режущей способности в процессе резания, так и в режиме потери режущей способности в процессе резания, состоит из модели разрушения связки в результате превышения предельной нагрузки на связку за алмазным зерном, модели изменения положения алмазного зерна в результате его локального поворота в связке из-за разрушения соединения алмазного зерна со связкой и модели разрушения алмазного зерна в результате превышения предельной нагрузки на него (рис. 2.6).
В результате проведенных исследований разработана систематизация моделей разрушения структур алмазных кругов в результате разрушения соединения алмазного зерна со связкой (локальный поворот зерен), разрушения связки за зерном (сдвиг алмазных зерен) и разрушения алмазных зерен.
В соответствии с теорией технических систем, выбранной в качестве общей методологической основы для системного анализа процесса алмазного шлифования, разработана модель изменения начального положения алмазного зерна в результате локального поворота в связке без непосредственного влияния алмазного зерна. Необходимость создания такой модели объясняется тем, что технико-экономические показатели шлифования зависят от сохранения положения алмазных зерен в связке. При недостаточном удержании режущие алмазные зерна удаляются из связки неизношенными и потенциальные абразивные свойства алмазных зерен не используются.
Анализ литературных данных [69], [70], [142], [215] показал следующие недостатки существующих моделей удержания алмазных зерен в связке: 1. Недостаточно точно описано напряженное состояние в подсистеме «алмазное зерно - связка» из-за того, что форма алмазного зерна с целью упрощения принимается в виде куба [142] или прямоугольного параллелепипеда [69], [70], [215]. При этом не соблюдены реальные пропорции размеров сторон п арал л ел е п и п еда. 2. Не учтены касательные напряжения, имеющие решающее значение в удержании алмазного зерна в связке. 3. Необоснованно выбрана ось поворота алмазного зерна при изменении начального положения (рис. 2.7). 4. При схематизации не учтено наличие опоры за алмазным зерном, образовавшейся из-за того, что в процессе работы алмазное зерно защищает связку от износа позади себя. Учет этого явления изменяет условие сохранения начального положения, так как существенно увеличивается опора позади алмазного зерна (рис. 2.5) [308].
Влияние параметров режима резания на изнашивание алмазных зерен при минимизации влияния связки
В соответствии с теорией технических систем, выбранной в качестве общей методологической основы для системного анализа процесса алмазного шлифования, разработана методика изучения подсистемы «обрабатываемый материал — алмазное зерно» при минимизации влияния связки.
Изучалась работоспособность однослойных алмазных кругов на гальванической связке при торцевом шлифовании. Использовались торцевые круги диаметром 75 мм и шириной слоя 5 мм. При изготовлении таких кругов никелевым гальваническим покрытием покрывалась («заращивалась») половина алмазного зерна (рис. 3.1). Работоспособность круга оценивали массой удаленно 162 го твердого сплава марки ВК8 до затупления круга до потери режущей способности, которое контролировали микрометром при измерении размера h. При уменьшении размера h на 0,5d (половину размера зерна) шлифование прекращалось. Данный критерий контроля является дополнительным к визуальному контролю, который заключался в определении момента, при котором связка начинала контактировать с обрабатываемым материалом в результате износа алмазных зерен до уровня связки. Точность установки алмазного круга на станке контролировали индикатором с ценой деления 0,001 мм по радиусной и торцевой сторонам корпуса круга, изготовленных для увеличения точности измерений одновременно с торцом круга, на который закрепляли алмазные зерна. Предельное радиальное биение круга на станке составляло 0,025 мм, предельное торцевое биение круга на станке составляло 0,02 мм. Величину покрытия алмазных зерен 0,5d контролировали с помощью микроскопа по методике, аналогичной методике измерения износа алмазных зерен [142], [147]. Микроскопом фиксировали уровень связки и уровень вершин алмазных зерен. Разницу этих уровней определяли индикатором с ценой деления 0,001 мм. Количество алмазных зерен на единице площади рабочей поверхности однослойного алмазного круга на гальванической связке контролировалось с помощью микроскопа, окуляр которого имел тарированную прямоугольную сетку. В качестве СОЖ использовался 3% - ный водный раствор ЫагСОз.
Исследования влияния параметров режима резания (скорости резания, глубины шлифования и подачи) на массу удаленного материала до затупления однослойного алмазного круга на гальванической связке показали следующее. Наибольшее влияние на износ зерен алмазного порошка без влияния связки оказывает скорость резания. Так, при увеличении скорости резания в 1,5 раза с 25 м/с до 37,5 м/с масса удаленного материала уменьшилась примерно в 29 раз (рис. 3.8). Следующим параметром режима резания по влиянию на износ зерен алмазного порошка является глубина шлифования. Так, при увеличении глубины в 1,5 раза с 0,03 мм до 0,045 мм масса удаленного материала уменьшилась примерно в 2,5 раза (рис. 3.9). Последним из изучаемых параметров режима резания, оказывающим влияние на массу удаленного материала до износа, является подача при шлифовании. Так, при увеличении подачи шлифования в 1,5 раза с 0,4 мм/об до 0,6 мм/об масса удаленного материала уменьшилась примерно в 1,5 раза (рис. 3.10).
Полученные результаты влияния параметров режима резания (скорости резания, глубины шлифования и подачи) на массу удаленного материала до затупления алмазного круга были пересчитаны в зависимости от скорости износа алмазных зерен (рис. 3.11 - 3.13). Анализ полученных зависимостей показал, что ужесточение режимов резания до определенных оптимальных значений приводит к плавному увеличению скорости износа алмазных зерен.
Зависимость скорости износа алмазных зерен V3 от скорости резания V при торцевом шлифовании твердого сплава ВК8 однослойным кругом с алмазным зерном АС6 212/180 на гальванической связке при S=0,9 мм/об, t=0,05 мм/дв.ход, с СОЖ
Увеличение глубины шлифования с 0,03 мм/дв.ход до 0,04 мм/дв.ход привело к росту скорости износа алмазных зерен в 2,5 раза, увеличение глубины шлифования с 0,04 мм/дв.ход. до 0,05 мм/дв.ход привело к росту скорости износа алмазных зерен в 3,6 раза (рис. 3.12). Увеличение S() с 0,4 мм/об до 0,6 мм/об привело к росту скорости износа алмазных зерен в 2 раза, а увеличение So с 0,6 мм/об до 0,8 мм/об привело к росту скорости износа алмазных зерен в 3,4 раза (рис. 3.13).
Наибольшее влияние на износ алмазных зерен при торцевом шлифовании оказывает скорость резания. Глубина шлифования оказывает меньшее влияние на износ алмазных зерен, чем скорость резания. Наиболее незначительное влияние на износ алмазных зерен оказывает подача при шлифовании.
Увеличение параметров режима резания до определенного оптимального значения приводит к плавному увеличению скорости износа алмазных зерен. При увеличении параметров режима резания больше определенного оптимального значения происходит резкое увеличение скорости износа алмазных зерен.
Анализ современных представлений о проектировании структуры алмазных кругов показал, что большинство исследователей предполагают, что для алмазных кругов, работающих в условиях восстановления режущей способности в процессе обработки, скорости износа алмазных зерен и связки равны [69], [147]. Для опровержения или подтверждения этой гипотезы были проведены исследования обобщенной модели износа структуры кругов. Под обобщенной моделью износа структуры кругов подразумевается модель износа, состоящую из модели износа алмазных зерен и модели износа связки.
На рис. 3.14. представлена фотография рабочей поверхности алмазного круга, с алмазным зерном с площадкой износа, стружечной канавкой перед алмазным зерном и канавками по бокам алмазного зерна и неизношенной по высоте связкой за алмазным зерном. Стружечная канавка перед алмазным зерном образуется под воздействием стружки, сходящей по его передней поверхности. Канавки по бокам алмазного зерна образуются под воздействием стружки, которая выдавливается из стружечной канавки перед алмазным зерном. Алмазное зерно защищает связку круга, расположенную за ним, поэтому на фотографии виден неизношенный по высоте участок связки за алмазным зерном. Обобщая результаты исследований расположения связки вокруг алмазного зерна, был сделан вывод о том, что скорость износа связки вокруг алмазного зерна отлича 168 ется от скорости износа собственно алмазного зерна. На рис. 3.15. представлена геометрическая интерпретация к расчетной схеме относительного износа связки, основанная на разных скоростях износа алмазного зерна и связки перед алмазным зерном. Для экспериментального подтверждения данной обобщенной модели были проведены исследования по измерению средней скорости относительного износа связки VOTH , равной разнице между средней скоростью износа связки в зоне, расположенной перед зерном VCB и средней скоростью износа алмазного зерна VaT .
Выбор оптимальной скорости резания при алмазном шлифовании
Рекомендации по выбору оптимальной скорости резания при алмазном шлифовании твердых сплавов противоречивы, так как при построении зависимости удельного расхода алмазов от скорости резания, авторы работ [11], [12], [223], [226] одновременно со скоростью резания изменяли подачу на оборот So алмазного круга. В имеющейся литературе отсутствуют рекомендации по изменению скорости резания при использовании СОЖ. В связи с этим были проведены исследования влияния СОЖ на зависимость удельного расхода алмазов от скорости резания при черновом и чистовом шлифовании твердых сплавов с постоянной S0 алмазного круга.
Исследования проводили по методике, регламентированной ГОСТ 16181-82, на универсально-заточном станке модели ВЗ-318Е с гидравлической продольной подачей. Глубина шлифования устанавливалась вручную и контролировалась индикатором с ценой деления 0,002 мм. Торцевое шлифование производилось кругами формы 12А2-450 125x5x5 мм на органической связке В1-01 со 100% концентрацией. Использовался алмазный шлифовальный порошок зернистостью 150/125 марки ЛС6 но ГОСТ 9206-80. Шлифовались твердосплавные пластины ВК8 (5ИЗГ=1700 Н/мм2, HRA=87,5), Т5К10 (8ИЗГ=1450
Н/мм2, HRA=88,5) и Т15К6 (8ИЗГ=1280 Н/мм2, HRA=91) с размером продольного сечения 18x8 мм. В качестве СОЖ использовали 3%-ный водный раствор ЫагСОз- Число оборотов алмазного круга контролировалось с помощью часового тахометра ТЧ10-Р. Удельный расход алмазов определялся методом взвешивания на весах BJIT-1-1. Для определения удельного расхода алмазов каждый опыт повторялся 4 — 6 раз.
Эксперименты, проведенные без применения СОЖ при S0=0,785 мм/об и глубине шлифования 1=0,05 мм/дв.ход, показали, что резкое увеличение удельного расхода алмазов происходит при достижении скорости резания более 15 м/с при обработке твердого сплава ВК8 и при возрастании скорости резания более 10 м/с - при обработке твердых сплавов Т5К10 и Т15К6 (рис. 4.10,а). Эксперименты, проведенные с применением СОЖ в аналогичных условиях, показали, что при шлифовании твердых сплавов ВК8, Т5К10, Т15К6 резкое увеличение удельного расхода алмазов происходит при достижении скорости резания более 25 м/с (рис. 4.10,6).
Опыты, проведенные без применения СОЖ с So=0,785 мм/об и различными глубинами шлифования, показали, что резкое увеличение удельного расхода алмазов при обработке твердого сплава ВК8 с глубиной шлифования 1=0,01 мм/дв.ход происходит при достижении скорости резания более 25 м/с, с глубиной шлифования t=0,025 мм/дв.ход, при достижении V более 20 м/с, с глубиной шлифования t=0,05 мм/дв.ход более 15 м/с (рис. 4.11,а).
Эксперименты, проведенные с применением СОЖ в аналогичных условиях, показали, что резкое увеличение удельного расхода алмазов при обработке ВК8 с глубиной шлифования t=0,01 мм/дв.ход происходит при достижении скорости резания более 35 м/с, с глубиной шлифования 1=0,025 м/дв.ход и при достижении скорости резания более 30 м/с, с глубиной шлифования t=0,05 мм/дв.ход более 25 м/с (рис. 4.11,6).
Эксперименты, проведенные без применения СОЖ с глубиной шлифования t=0,05 мм/дв.ход и различными S0, показали, что при обработке твердого сплава ВК8 резкое увеличение удельного расхода алмазов с постоянной S0=0,392 мм/об происходит при достижении скорости резания более 20 м/с, с S=0,785 мм/об при достижении скорости резания более 15 м/с (рис. 4.12,а). Эксперименты, проведенные с применением СОЖ в аналогичных условиях, показали, что резкое увеличение удельного расхода алмазов при обработке ВК8 с постоянной SQ-0,392 мм/об происходит при достижении скоростью резания величины ЗО м/с, с S0=0,785 мм/об при достижении скоростью резания 25 м/с (рис. 4.12,6).
Применение СОЖ при алмазном шлифовании твердых сплавов позволяет повысить допускаемые скорости резания при обработке Т5К10 и Т15К6 в 2,5 раза (с 10 м/с до 25 м/с), при обработке ВК8 в 1,7 раза (с 15 м/с до 25 м/с). С увеличением глубины шлифования и подачи эффективность применения СОЖ возрастает.
При шлифовании твердых сплавов без применения СОЖ (S0=0,785 мм/об, t=0,05 мм/дв.ход) резкое увеличение удельного расхода алмазов происходит при достижении скоростью резания величины 15 м/с при обработке ВК8 и при достижении скоростью резания величины 10 м/с при обработке Т5К10 и Т15К6. При уменьшении So до 0,392 мм/об и глубины шлифования t до 0,01 мм/дв.ход возможно увеличение оптимальной скорости резания при обработке ВК8 до 20 - 25 м/с.
При шлифовании твердых сплавов ВК8, Т5К10, Т15К6 с применением СОЖ (So=0,785 мм/об, t=0,05 мм/дв.ход) резкое увеличение удельного расхода алмазов происходит при достижении скоростью резания величины 25 м/с. При уменьшении подачи на оборот алмазного круга до S=0,392 мм/об и глубины шлифования до t=0,01 мм/дв.ход возможно увеличение оптимальной скорости резания при обработке ВК8 до 30 - 35 м/с.
При анализе механизма разрушения структуры алмазных кругов было сделано предположение, что одним из ограничивающих факторов для повышения эффективности шлифования является возможность эвакуации стружки из зоны резания. Визуальный анализ рабочих поверхностей алмазных кругов показал, что существует критический объем стружки для данной структуры алмазного круга, при превышении которого происходит пакетирование стружки и увеличение удельного расхода алмазов. Для подтверждения этого предположения были проведены исследования влияния ширины шлифуемой поверхности, зернистости и концентрации алмазных порошков на критерии эффективности алмазного шлифования.
Эксперименты проводились при торцевом шлифовании твердых сплавов, которое является традиционной областью применения алмазных кругов [1], [38], [40], [52]. Однако в литературе отсутствуют рекомендации по выбору оптимальных условий торцевого шлифования в зависимости от ширины шлифуемой поверхности. Исследовалось влияние смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), зернистости и концентрации алмазного порошка, а также продольной подачи и глубины шлифования на зависимость удельного расхода алмазов от ширины шлифуемой поверхности.
Эксперименты, проведенные с продольной подачей S=l000 мм/мин и глубиной шлифования t=0,02 мм алмазными кругами, с зернистостью 100/80 без СОЖ, показали, что увеличение ширины шлифуемой поверхности в 3 раза с 8 мм до 24 мм приводит к увеличению удельного расхода алмазов в 2,6 раза (рис. 4.13).
Применение СОЖ позволило уменьшить удельный расход алмазов в 25 - 30 раз. Увеличение ширины заготовки с 8 мм до 24 мм при использовании СОЖ приводит к аналогичному результату, то есть к увеличению удельного расхода алмазов в 2,6 раза (рис. 4.13).
