Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАМ ИССЛЕДОВАНИЯ И
ОБЩИЕ УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 10
1.1. Свойства безвольфрамовых твердых сплавов 10
1.2. Обрабатываемость безвольфрамовых твердых сплавов...17
1.3. Режущие свойства и режущая поверхность алмазных кругов 19
1.4. Качество обработанной поверхности 23
1.5. Постановка задачи исследования 25
1.6. Общие условия проведения экспериментов 26
1.6.1. Исследуемые безвольфрамовые твердые сплавы, алмазные круги и другие материалы 26
1.6.2. Оборудование 27
1.6.3. Исследуемые показатели, методы и средства их определения 28
1.6.4. Обработка результатов эксперимента 30
1.7. В ы в о д ы 34
2. ШЛИФОВАНИЕ БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 35
2.1. Методика проведения исследований 35
2.2. Алмазное шлифование безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) 41
2.2.1. Алмазное шлифование БВТС ТН-20 41
2.2.2. Алмазное шлифование БВТС KHT-I6 50
2.3. Алмазно-искровое шлифование БВТС 56
2.4. Выводы 66
3. РЕЖУЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ АЛМАЗНОГО КРУГА ПОСЛЕ ШЛИФОВА НИЯ БВТС 67
3.1. Методика проведения исследования 67
3.1.1. Существующие методики исследований 67
3.1.2. Уточненная методика изучения рабочей поверхности круга 69
3.1.3. Установка для изучения режущей поверхности круга. 75
3.1.4. Определение объема выборки и длины унастков про-филографирования 76
3.2. Модальная высота алмазных зерен после шлифования БВТС 78
3.2.1. Условия проведения эксперимента 78
3.2.2. Изменение модальной высоты алмазных зерен во времени 79
3.2.3. Влияние режимов шлифования на значение модальной высоты алмазных зерен круга 79
3.3. Вы в о д ы 83
4. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ БВТС ПОСЛЕ АЛМАЗНО-ИСКРО
ВОГО ШЛИФОВАНИЯ 86
4.1. Физическое состояние поверхностного слоя 86
4.2. Период кристаллической решетки карбида титана 90
4.3. Остаточные напряжения в поверхностном слое БВТС 95
4.3.1. Методика проведения экспериментов 95
4.3.2. Влияние режимов алмазно-искрового шлифования на напряженное состояние поверхностного слоя 98
4.3.3. Неориентированная микродеформация в карбидной составляющей безвольфрамовых сплавов 104
4.4. Износ инструмента из БВТС 107
4.5. В ы в о д ы 114
5. СТОЙКОСТЬ РЕЗЦОВ ИЗ БЕЗВОЛЬФВАШВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ.. .115
5.1. Методика проведения исследований 115
5.I.I. Выбор показателей качества шлифования и метода крепления режущих пластин из БВТС 115
5.1.2. Определение оптимальных режимов резания 120
5.2. Стойкость резцов из БВТС после алмазного шлифования 125
5.2.1. Стойкость резцов из БВЇС ТН-20 126
5.2.2. Стойкость резцов из БВТС КНТ-І6 134
5.3. Стойкость резцов из БВТС ТН-20 после алмазно-искрового шлифования 134
5.4. Взаимосвязь стойкости резцов с состоянием режущей поверхности шлифовального круга и качеством поверх-носного слоя БВТС 144
5.4.1. Корреляционный анализ взаимосвязи стойкости резцов с модальной высотой алмазных зерен шлифовального круга 144
5.4.2. Взаимосвязь стойкости резцов из БВТС ТН-20 с периодом кристаллической решетки карбида титана 147
5.4.3. Взаимосвязь стойкости резцов из БВТС ТН-20 с остаточным ориентированным напряженным состоянием поверхностного слоя 150
5.4.4. Взаимосвязь стойкости резцов из БВТС с неориентированной микродеформацией карбидной составляющей БВТС І 152
5.5. В ы в о д ы 155
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 159
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 163
Приложение I. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ІГРИ ИССЛЕДО
ВАНИИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ БВТС 180
Приложение 2. ПЛАНИРОВАНИЕ Э1Ш1ШРИМЕНТ0В ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТОЙКОСТИ БЕЗВ0ЛЬ<1>РАШВЫХ РЕЗЦОВ... 193
Приложение 3. ЗКОНОЩ'ІЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОС
ТИ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТОК 204
Приложение 4. АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА ПО РАБОТЕ 214
- Свойства безвольфрамовых твердых сплавов
- Алмазное шлифование безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС)
- Уточненная методика изучения рабочей поверхности круга
- Физическое состояние поверхностного слоя
- Выбор показателей качества шлифования и метода крепления режущих пластин из БВТС
Введение к работе
"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на І981-1985 годы и на период до 1990 года", утвержденными ИЛ съездом КПСС, предусматривается в одиннадцатой пятилетке рост продукции машиностроения не менее чем в 1,4 раза. Главный фактор экономического роста - повышение производительности труда (на 17-20%), улучшение качества продукции, ускорение темпов обновления техники (в 1,5 раза). Решение этих вопросов неразрывно связано с совершенствованием режущих инструментов, применением новых марок инструментальных материалов, технологии их обработки. В этом историческом документе указывается на необходимость "организовать производство в широких масштабах новых видов инструментов, в том числе с применением износостойких покрытий, безвольфрамовых твердых сплавов, синтетических алмазов и других сверхтвердых материалов" /I/.
Острый дефицит вольфрама, вызванный все возрастающими требованиями металлообрабатывающей и других отраслей промышленности, использующих вольфрамосодержащие твердые сплавы, обусловили в последние годы интенсивные поиски новых инструментальных материалов не содержащих или мало содержащих вольфрам. В связи с этим в нашей стране и за рубежом разработаны и находят все более широкое применение в качестве режущих материалов безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбида и карбонитрида титана.
Как известно безвольфрамовые твердые сплавы характеризуются низкой шлифуемостью по сравнению с вольфрамосодержащими твердыми сплавами, что обусловлено их специфическими свойствами -повышенной окалийностыо и коэффициентом термического расширения, пониженной теплопроводностью и модулем упругости /2/. Указанные свойства предопределяют большую чувствительность БВТС к ударным и тепловым нагрузкам как при их механической обработке, так и при использовании в качестве режущего элемента в инструментах.
Отсутствие обоснованных рекомендаций ставит вопрос исследования процесса шлифования ББТС с целью повышения его эффективности и увеличения стойкости инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов как одну из актуальных задач.
В этой связи теш диссертационной работы, продиктованная необходимостью повышения эффективности алмазного шлифования и стойкости инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов, является актуальной и своевременной.
11а основе изучения состояния вопроса, анализа свойств и структуры ББТС было определено направление поиска путей повышения эффективности процесса шлифования, проведено экспериментальное исследование процессов алмазного и алмазно-искрового шлифования ББТС кругами формы АЧК на органической (BI) и металлической (ІїШІ) связках по "жесткой"схеме и установлено, что наиболее эффективным способом шлифования является алмазно-искровой. На основании многофакторных экспериментов по плану близкому к Д-оп-тимальному (В4) получены математические модели процесса шлифования, позволяющие установить закономерности, связывающие такие показатели как удельную себестоимость шлифования (С уд) и относительный расход алмазов ( cj, ) с режимами (поперечной подачей Sn и скоростью круга Vk ) и характеристиками алмазного круга (зернистостью 2 и концентрацией К).
На разработанной специальной установке для замера высоты выступания алмазных зерен над уровнем связки и по созданной, методике произведены замеры алмазных зерен по высоте, установлена взаимосвязь модальной высоты зерен с режимами шлифования и характеристиками алмазного круга.
Исследовано качество поверхностного слоя ББТС после алмаз- -.8 - но-искрового шлифования (физическое состояние поверхностного слоя, изменение периода кристаллической решетки карбида титана; напряжения в поверхностных слоях, некоторые особенности износа БВТС).
Разработан способ крепления режущих пластин, исследована стойкость резцов из БВТС в зависимости от условий шлифования, установлены закономерности, связывающие стойкость инструмента, выраженную в длине пути резания, и технологическую себестоимость точения с условиями шлифования; установлена взаимосвязь высоты выступания алмазных зерен шлифовального круга с длиной пути резания инструментом из БВТС и разработан способ определения оптимальной скорости шлифования по модальной высоте алмазных зерен шлифовального круга; установлена взаимосвязь периода кристаллической решетки карбидной составляющей с длиной пути резания инструментом из БВТС и разработан способ определения оптимальной скорости резания по периоду кристаллической решетки; установлена взаимосвязь между межфазными микронапряжениями в цементирующей, фазе и длиной пути резания.
Разработанный, метод крепления режущих пластин использован при создании ГОСТа 24996-81 на резцы с механическим креплением сменных пластин при помощи качающегося шашфта, выявленные в работе зависимости использованы при создании нормативных режимов шлифования и точения, норм износа и расхода для резцов из БВТС. Івтор защищает:
Установленные особенности и закономерности процесса алмазно-искрового шлифования безвольфрамовых твердых сплавов.
Методику изучения режущей поверхности круга.
Взаимосвязь между модальной высотой алмазных зерен шлифовального круга и стойкостью резцов из БВТС.
Установленные закономерности образования физического и напряженного состояния поверхностного слоя БВТС после шлифования.
Способ разделения суммарных ориентированных напряжений в поверхностном слое на макро и микросоставляющие.
Взаимосвязи между периодом кристаллической решетки карбидной составляющей, напряженным состоянием поверхностного слоя и стойкостью резцов из БВТС.
Научная новизна:
Установлены особенности влияния технологических факторов на выходные параметры процесса алмазно-искрового шлифования БВТС.
Установлена корреляционная связь между модальной высотой алмазных зерен шлифовального круга и длиной пути резания инструментом из БВТС; разработан способ определения оптимальной скорости шлифования по модальной высоте алмазных зерен, защищенный авторским свидетельством.
Установлена взаимосвязь между периодом кристаллической решетки карбидной составляющей и длиной пути резания инструментом из БВТС; разработан способ определения оптимальной скорости резания по периоду кристаллической решетки карбидной составляющей, защищенный авторским свидетельством.
Установлена взаимосвязь между межфазными микронапряжениями в цементирующей фазе и длиной пути резания; разработан способ разделения суммарных напряжений на макро и микросоставляющие.
Работа выполнялась в Харьковском политехническом институте и Харьковском филиале ГСПКТБ "Оргприминструмент".
Производственные испытания и внедрение результатов работы производились на Харьковском инструментальном заводе, Харьковском станкостроительном заводе, Кременчугском автомобильном заводе и других заводах страны.
Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 400,0 тыс. рублей. - ю -
class1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАМ ИССЛЕДОВАНИЯ И
ОБЩИЕ УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ class1
Свойства безвольфрамовых твердых сплавов
В связи с расширением технологических возможностей при производстве твердых сплавов, развитием химии и порошковой металлургии, дефицитом вольфрама уже в начале 60-х годов начались интенсивные работы по созданию безвольфрамовых сплавов /2, 3, 4/.
Особый интерес для создания безвольфрамовых твердых сплавов имеет карбид титана (ТіС), жаростойкий материал с твердостью 3,2 х 10 ИВ /о/, уступающий по твердости только алмазу, эльбо-ру /6/, карбиду бора и кремния. Карбиды титана обладают довольно высокой стойкостью против окисления, сравнительно невысокой плотностью (4,9 х 10 кг/м3), хорошими свойствами смачивания материалами цементирующей фазы, а также низкой стоимостью исходного материала. Кроме того титан широко распространен в природе как на территории СССР, так и в других странах.
Связывающая (цементирующая) фаза (рис. І.І) наиболее часто изготавливается на основе никеля и молибдена, который вводится для улучшения смачивания зерен Ті С, а также получения структуры с мелкими равномерно распределенными в связке зернами /7/. При этом во время спекания сплава происходит диффузия молибдена к границам карбидного зерна и замещение части атомов титана с образованием твердого раствора Т. С - Мо2С, который обладает меньшей твердостью, чем Ті С и большей пластичностью /8/. Образуется кольцевая структура зерен карбидной фазы, которая служит переходной прослойкой медду хрупким карбидом и пластичной связкой; сердцевина зерна остается весьма твердой и хрупкой при некотором увеличении прочности /9/.
Алмазное шлифование безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС)
Исследования выполнялись кругами АЧіС 150x10x3x32 на связке БІ. Пластины четырехгранной формы с диаметром описанной окружности 22 г-м, закреплялись механическим способом в специальной, державке.
Попытки производить заточку пластин без охлаждения не дали положительных результатов. Уже при поперечной подаче on = 0,010 мм/дв.ход и скорости круга VK = 20,0 м/с через 15...20 с. работы появлялись еколы. Поэтому заточка производилась с охлаждением 3%-шм содовым раствором с расходом 3,0 л/мин.
В качестве варьируемых взяты факторы, перечисленные в разделе 2.1 ( Sn; VK; Z; К )#
Основные уровни факторов и интервалы их варьирования (табл. 2.1) взяты на основании полученных экспериментальным путем однофакторных зависимостей (табл. п. І.Ї, рис. п. I.I, п.1.2). При этом за критерий оптимизации брались относительный расход алмазов ( ) и удельная себестоимость шлифования (С уд.).
Уточненная методика изучения рабочей поверхности круга
Как уже отмечалось при исследовании режущей поверхности кругов самое широкое распространение получил метод профилографирования. Однако этот метод имеет систематическую погрешность, вызванную тем, что ощупывающая игла при своем перемещении не попадает на вершины большинства режущих кромок, а проходит по их боковым поверхностям, вследствие" чего полученные результаты высот зерен занижены и не соответствуют истинным значениям. Кроме того, возможен вообще "обход" зерен, вследствие чего количество зерен попавших в запись меньше действительного.
Уточненная методика профилографирования /129/ обеспечивает высокую точность соответствия записанного рельефа с действительным и заключается в том, что дополнительно к профилограмме, снятой по контролируемой линии, записывают профилограммы по двум вспомогательным линиям, расположенным эквидистантно относительно контролируемой линии по обе стороны от нее на расстоянии, меньшем половины средней величины зерна.
На рис. 3.1 показано возможное расположение зерен на контролируемой и вспомогательных линиях и профилограммы, снятые по этим линиям.
Для определения количества зерен, лежащих на контролируемой линии I, снимают профилограмму по этой линии и двум линиям 2 и 3, расположенных эквидистантно по обе стороны от контролируемой линии I на расстояниях 1г и 1Ъ , меньших чем половина средней величины зерна, Э , но больших погрешности прибора д , т.е. Д {. 2 0Т линии I по обе стороны лежат границы поля погрешности прибора л , которые определяются погрешностью регистрирующей и записывающей аппаратуры.
На профилограмме 5, записанной по контролируемой линии I, зафиксированы зерна 6, 7 и 8, пересекающие эту линию и лежащие за полем погрешности. Зерна 9 и 10, вершины которых лежат в поле погрешности прибора, не всегда регистрируются профидографом, как, например, в нашем случае. Но так как расстояние а и 1Ъ меньше половины величины зерна, то зерна 9 и 10 будут зафиксированы на профилограммах II и 12, записанных по вспомогательным линиям 2 и 3.
class4 КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ БВТС ПОСЛЕ АЛМАЗНО-ИСКРО
ВОГО ШЛИФОВАНИЯ class4
Физическое состояние поверхностного слоя
Наличие относительно больших удельных нагрузок, протекание сложных электро-физико-химических явлений, сопровождающихся интенсивным тепловыделением вследствие эрозионных и электроконтактных процессов предопределяет специфику образования поверхностного слоя БВТС при его шлифовании.
В работе /65/ исследовано состояние поверхностного слоя БВТС после алмазно-искрового шлифования - хрупкое дробление карбидов, сглаживающее влияние связки круга, "предразрушение", расплавление и испарение микрообъемов обрабатываемого сплава за счет эрозионных разрядов, пластическое деформирование материала, образование микротрещин.
Самостоятельный интерес представляют исследования диапазона режимов шлифования, обеспечивающих обработку БВТС без трещин, наличие которых контролировалось с помощью растрового микроскопа и методом цветной дефектоскопии. Установлено, что при алмазно-искровом шлифовании в диапазоне скоростей от 15,0 до 30,0 м/с, поперечной подаче 0,04 мм/дв.ход, для сплава ТН-20 трещинообра-зование отсутствует; при алмазной обработке кругами на связке БІ в диапазоне скоростей 15,0...30,0 м/с и поперечной подаче 0,02 мм/дв.ход трещин на поверхности БВТС ТН-20 также не обнаружено. Для БВТС KHT-I6 трещин не обнаружено при поперечной подаче 0,02 мм/дв.ход (АИШ) и 0,010 мм/дв.ход (АШ).
Состояние поверхностного слоя изучалось при помощи растрового электронного микроскопа РЭМ-200. Предварительно поверхности пластин изучались при относительно небольшом (х 864) увеличении. Места, где были замечены следы каких-либо изменении микрорельефа, увеличивались и проводилось фотографирование.
Шлифование пластин из БВТС ТН-20 производилось при различных режимах и характеристиках алмазных кругов АЧК 150x10x3x32 АСВ MBI по методике, изложенной в разделе I главы 2.
Выбор показателей качества шлифования и метода крепления режущих пластин из БВТС
Оценка влияния процесса шлифования на стойкость режущей части инструмента производится по разным показателям: шероховатости поверхности /І42...144/, радиусу округления и зазубренности режущей кромки /143, 145...148/, прочности кромки на микроскалывание /149/, физическому состоянию поверхностного слоя сплава (размеру блоков мозаики, микроискажениям решетки, сумме главных напряжений и т.д.) / 150...154/.
Однако, все эти показатели являются условными и не могут соответствовать реальной картине состояния инструмента в практических условиях эксплуатации, а значит и не отражают реального качества. Поэтому показателями качества шлифования инструмента из БВТС выбраны такие параметры как стойкость, выраженная длиной пути резания ( L , м) и технологическая себестоимость (Ст, коп), учитывающая не только себестоимость шлифования, но и токарной обработки.
