Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Алмазно-абразивная обработка инструментом повышенного качества 7
1.1. Требования к процессу плоского шлифования хрупких материалов 7
1.2. Перспективы повышения качества шлифовального круга и формирования его режущего рельефа 11
1.3. Качество поверхности при алмазной обработке 21
1.3.1. Анализ микрогеометрии обработанной поверхности и геометрии рельефа шлифовального круга 22
1.3.2. Физико-механические, свойства шлифованных хрупких материалов 30
1.4, Выводы, цель и задачи исследования 32
Глава 2. Разработка методики математического описания обработанной поверхности и рельефа шлифовального круга 34
2.1. Схема образования шлифованной поверхности при обработке кругами повышенного качества 34
2.2. Исследования микрогеометрии обработанной поверхности и рельефа шлифовального круга 40
2.3. Аппроксимация корреляционной функции 42
2.4. Расчет параметров для оценки обрабатывающей и обработанной поверхностей 48
2.5. Подготовка исходных данных для ЭВМ 57
Выводы 63
Глава 3. Формирование оптимального рельефа режущей поверхности инструмента повышенного качества 65
3.1. Факторы, определяющие геометрию режущей поверхности круга 65
3.1.1. Форма алмазных зерен 69
3.1.2, Характеристики и строение алмазоносного слоя кругов повышенного качества 77
3.2. Влияние правки на процесс формирования рабочей поверхности круга 85
3.3. Изменение рельефа круга в процессе работы 93
Выводы 98
Глава 4. Микрогеометрия шлифованной поверхности и оптимизация процесса обработки 100
4.1. Микрогеометрия шлифованной поверхности при изменении факторов, определяющих геометрию рельефа круга 100
4.1.1. Форма алмазных зерен 101
4.1.2. Ориентация зерен в алмазоносном слое 110
4.2. Расчет оптимальных параметров на ЭВМ 117
4.3. Оптимизация микрогеометрии шлифованной поверхности ферритов 120
4.4. Выбор оптимальных режимов шлифования на основе различных параметров оптимизации 130
Выводы 141
Глава 5. Исследование физико-механических свойств поверхностей хрупких материалов 144
5.1. Методика исследований внутреннего трения материалов, обработанных шлифованием 144
5.2. Влияние процесса шлифования на физико-механические свойства обработанной поверхности 153
5.2.1. Внутреннее трение 153
5.2.2. Остаточные напряжения 156
5.2.3. Микротвердость 161
5.2.4. Характер разрушения поверхностного слоя 164
5,3, Магнитные потери ферритов и износостойкость чугуна 170
Выводы 172
Общие выводы 175
Литература 178
Приложения 193
- Перспективы повышения качества шлифовального круга и формирования его режущего рельефа
- Форма алмазных зерен
- Ориентация зерен в алмазоносном слое
- Характер разрушения поверхностного слоя
Перспективы повышения качества шлифовального круга и формирования его режущего рельефа
В настоящее время в машино- и приборостроении возрастает доля окончательных методов обработки. Это вызвано увеличением требований к точностным и качественным параметрам как заготовок, так и изделий. Согласно долгосрочным прогнозам, доля шлифовальных станков к 1990 году от общего количества составит 28...30%. При этом в одиннадцатой пятилетке планируется увеличить выпуск алмазного инструмента в 1,7 раза при существенном повышении его производительности.
Одним из эффективных методов совершенствования алмазного инструмента и повышения его качества является процесс формирования алмазоносного слоя инструмента с усовершенствованным строением. Так, качество и точность обработанной поверхности, производительность и динамика процесса шлифования, себестоимость обработки в значительной степени определяются режущими свойствами и состоянием рабочей поверхности применяемого инструмента /б, 28, 29/. Названные параметры обработки существенно зависят от топографии шлифовального инструмента, которая во многом определяется его строением. Поэтому рассмотрение зависимости геометрии режущего профиля шлифовального инструмента от строения его алмазоносного слоя имеет большое значение в вопросе управления режущими свойствами алмазных кругов.
Строение алмазоносной матрицы определяется многочисленными факторами /30/. Среди них немаловажное значение занимают форма зерен, их металлизация и ориентация в заданном направлении. Эти факторы повышают режущие свойства инструмента, его производительность и эффективность. Применение рациональной правки в сочетании с повышенным качеством инструмента дает возможность управления процессом обработки различных материалов.
Форма зерен, как фактор повышения качества алмазного инструмента. Повышение эффективности процесса шлифования в настоящее время рассматривается с точки зрения повышения физико-механических характеристик зерен. При анализе работы зерен необходимо знание не только зернистости, но и формы, линейно-геометрических параметров. Форма абразивных зерен, как отмечается в работе /31/, определяет их пространственное расположение по отношению к снимаемому слою материала. Их разнообразие - это одна из особенностей и преимуществ различных марок синтетических алмазов /32/. Поэтому создание новых инструментов и эффективное их использование невозможно без рассмотрения этих особенностей алмазно-абразивных кругов.
При рассмотрении и расчете геометрических форм абразивных зерен наиболее отвечающие реальному процессу обработки являются круги, у которых зерна рассматриваются в полярных координатах с точки зрения теории случайных функций /33/.
Обобщая экспериментальные исследования различных геометрических параметров алмазно-абразивных зерен и шлифпо-рошков авторы работы /28/ проводили объемные (в трех взаимноперпендикулярных направлениях) измерения зерен. Линейные размеры зерна (длина К , ширина О и высота К) измерялись по проекциям на микроскопе с рисовальным устройством. При этом установлено, что распределение линейных размеров зерен подчиняется нормальному закону. На основе обширных экспериментальных данных линейных размеров зерен авторами установлено, что по форме эти зерна подразделяются на изомет-ричные, пластинчатые, промежуточные (между первыми и вторыми) и игольчатые. У изометричных зерен отклонения размеров Єй к от о не более 20%, у пластинчатых отношение не превышает 40%, у игольчатых е/ь более 2. Для классификации зерен по форме, учитывая их различную способность скатываться по наклонной поверхности, была применена установка с непрерывно движущейся транспортной лентой.
Проведенные исследования при обработке кругами с различной формой зерен показали, что удельный расход алмазов изменяется в 2,2 раза, производительность - в 1,1 раза. Значения сил резания H rg отличаются в пределах 1,40...1,55 раза, а температуры шлифования - в 1,35 раза. Изометричность алмазных зерен влияет на твердость шлифовальных кругов и интенсивность самозатачивания, поэтому является существенным фактором, определяющим эксплуатационные характеристики круга /34/.
В работе /28/ отмечается, что для увеличения стойкости инструмента, производительности обработки и уменьшения силы резания и температуры целесообразно повышение однородности шлифпорошка основной фракции. Таким образом, анализируя результаты исследований, сделаны выводы о целесообразности классификации зерен по форме. При этом необходимо обоснование применения той или иной формы с определенными связками и для различных материалов.
Учитывая форму зерен /35/ за рубежом выпускают синтетические алмазы с различной формой: для кругов на металлической связке - зерна изометричной формы с гладкой поверхностью; для кругов на органической свяэке - зерна удлиненной формы с шероховатой поверхностью, т. е, с большим количеством режущих кромок на зерне.
Дальнейшие исследования по применению инструмента с различной формой зерна показали об эффективности и целесообразности классификации зерен по форме. Применение установок по качественной классификации зерен /36/ позволило улучшить (повысить) эффективность инструмента с различной формой зерен. Так,например, алмазные круги с различной формой имеют различную твердость /37/ и поэтому оказывают существенное влияние на эффективность обработки. Особенно эффективно достижение однородности шлифпорошка по гранулометрическому составу и форме /32/. При увеличении однородности зернового состава зерен изометричной формы до 99% (если С/0 1,5) удельный износ может снижаться до 3 раз, шероховатость уменьшаться на 2...4 разряда (по ГОСТ 2789-73), и сужается диапазон разброса микронеровностей.
Таким образом, анализ литературных источников показал, что для шлифования конкретных материалов и инструментов необходимы дополнительные исследования по определению применимости той или иной формы зерна.
Повышение качества инструмента за счет металлизации и ориентации зерен. Актуальность работ по определению формы зерен и их линейно-геометрических параметров, установлению законов их распределения существенно возрастает, если при изготовлении алмазно-абразивного инструмента эти зерна ориентируются в заданном направлении. Одним из основных этапов по повышению работоспособности шлифовальных кругов является процесс формирования оптимального строения алмазоносного слоя при изготовлении инструмента.
В настоящее время для повышения эффективности шлифования проводятся работы по созданию кругов специального строения и ориентации зерен в алмазоносной матрице инструмента /38.. ЛІ/.
Форма алмазных зерен
Рассмотрение зависимости геометрии режущего профиля шлифовального инструмента от строения его алмазоносного слоя имеет большое значение в вопросе управления качеством поверхностного слоя. Как известно, форма алмазного зерна существенно влияет на производительность, динамику процесса шлифования и износостойкость алмазного круга. При этом удельный расход алмазов отличается более, чем в два раза. Б ряде работ исследовано влияние формы зерна /37, 118/ на износостойкость алмазно-абразивных инструментов и производительность обработки. Поэтому необходимо рассмотреть влияние формы зернового состава шлифовального порошка на микрогеометрию режущего профиля круга и шероховатость изделия, обработанного этими кругами.
Проведены сравнительные исследования алмазных кругов I2A2 150x10x3x32 АС4 200/160 БІ 50$, приготовленных из классифицированного по форме зерна и содержащих изометричные, пластинчатые и промежуточные зерна /65, 118/, а также кругов с неклассифицированным по форме зерном. Обработка экспериментальных данных профилограмм производилась на ЭВМ EC-I022 по специально разработанным программам, с помощью которых вычислялись высотные параметры R RmccX) р» У» ({о круга (ГОСТ 25142-82). Для определения соотношения случайных и периодических составляющих профиля режущей поверхности круга применяли корреляционный метод /74/. Аппроксимация экспериментальных корреляционных функций, которые вычислялись по профилограммам рабочей поверхности кругов, выполнялась по формуле (2.6).
Форма алмазного зерна значительно влияет на геометрию режущей поверхности алмазного круга. На рис. 3.3 приведены профилограммы и вычисленные по ним корреляционные функции кругов с различной формой зерна. Они наглядно дают представление о том, что форма зерна оказывает воздействие на формирование рельефа режущей поверхности.
В результате обработки экспериментальных данных и аппроксимации корреляционных функций получено, что средние высотные параметры, характеризующие геометрию рельефа режущей поверхности кругов с различной формой зерен, имеют существенное различие. По данным таблицы 3.1 видно, что высота неровностей профиля по параметру f?2 отличается более, чем в 2,5 раза и в зависимости от формы зерна изменяется в пределах 26,1...66,7 мкм. Для круга с исходной формой зерна она составляет 53,7 мкм. Высота неровностей профиля кругов с промежуточной и пластинчатой формой зерна К 2 в 1,2...2,1 раза меньше. Незначительное отличие по высотным параметрам от исходных зерен имеет круг с изометричными зернами. Повышение однородности зернового состава основной фракции приводит к увеличению высотных параметров: К? - в 1,24 раза, Rtnax — в Мб Раз» Р " »5 Раз»
При аппроксимации корреляционных функций дисперсия профилей имеет аналогичное распределение. Коэффициент случайности исследуемых профилей изменяется от 0,66 до 0,80, что позволяет отнести эти профили к разряду случайных. Наименьший коэффициент случайной составляющей профиля имеет круг с исходной формой. Для кругов с различной формой зерна характерно небольшое увеличение этого коэффициента. Повышение однородности зернового состава увеличивает коэффициент случайной составляющей на 2(3%. Для алмазных инструментов с различной формой зерен и повышенной однородностью зернового состава значения средневероятностных расстояний Т между зернами изменяются в пределах от 0,254 до 0,289 мм, где наименьшее значение характерно для исходной формы зерен, а наибольшее - для инструментов с изометричной формой и повышенной однородностью зернового состава.
Спектральные функции (рис. ЗА) показывают, что периодические составляющие профилей режущей поверхности алмазных кругов имеют низкочастотные значения в пределах 0,025... 0,100 Гц, где наименьшие значения составляющих - для кругов с исходной и промежуточной формами зерен в алмазоносном слое.
Распределение ординат профилей режущей поверхности изменяется в зависимости от формы зерен. На рис. 3.5 показано, что наибольшее значение распределения ординат имеют круги с повышенной однородностью зернового состава и с зернами изометричной формы.
Форма зерен оказывает существенное влияние и на относительную опорную поверхность профиля кругов (табл. 3.2). Высота сглаживания режущей поверхности профиля в зависимости от формы зерна изменяется более, чем в 2,5 раза. Алмазные зерна с изометричной формой способствуют формированию профиля с большей развитостью рельефа. Повышение однородности зернового состава увеличивает высоту сглаживания и формирует профиль с наибольшей шероховатостью.
Таким образом, применение в алмазном инструменте зерен различной формы позволяет существенно влиять на изменение его геометрических характеристик. При этом высотные параметры рельефа круга на органической связке для исследованных условий могут быть изменены до 2, а при повышении однородности зернового состава до 2,5 раз. Наибольшую высоту сглаживания имеют круги с изометричной формой зерен и повышенной однородностью зернового состава, а наименьшую - круги с пластинчатой формой зерен.
Зависимость геометрии режущей поверхности алмазных кругов от формы зерен определяется как линейно-геометрическими параметрами этих зерен (при равной зернистости), так и их прочностью. Для наиболее прочных изометричных зерен, имеющих небольшие отклонения высоты, длины и ширины, характер их расположения в алмазоносном слое несуществен. Это позволяет получить стабильный развитый рельеф режущей поверхности для инструмента с данными зернами.
Ориентация зерен в алмазоносном слое
По результатам исследований в гл. 3 установлено, что на изменение геометрии режущей поверхности алмазных кругов большое влияние оказывает ориентация зерен в алмазоносном слое. Это влияние существенным образом сказывается на формировании микрогеометрии шлифованной поверхности, а также на работоспособности инструмента /26, 123/. Так, при обработке серого чугуна кубонитовыми кругами ориентация зерен марки КР 125/100 при их металлизации и уменьшении концентрации в 2 раза уменьшает относительный расход зерен с 4,35 мг/г до 0,72 мг/г, т. е. примерно в б раз. При этом эффективная мощность шлифования уменьшается в 1,85 раза. Для алмазных кругов с зернами ACI5 200/160 на металлической связке (\ изменяется от 0,74 мг/г до 0,41 мг/г, т. е. в 1,7 раза. Эффективная мощность уменьшается на 7%, Поэтому в данном разделе рассматривается процесс формирования микрогеометрии чугуна в условиях плоского шлифования кругами с ориентированными зернами.
В опытах использовали шлифовальные круги чашечной формы I2A2 200x10x3x32, с характеристиками КР 125/100 БІ56 60$ и ACI5 125/100 БІ56 50%. Зерна металлизировались электрохимическими покрытиями на основе никелевого и кобальт-никелевого сплавов с добавлением частиц феррита (ф) /117/. Степень металлизации у кубонитовых зерен составляла 50 мас.%, а у алмазных - 38 мас.%.
Обработка чугунных образцов марки СЧ 21 проводилась на плоскошлифовальном станке ЗГ7І. В качестве СОЖ применяли 2,5% раствор эмульсола Аквол-2. Для установления эффективности применения технологической жидкости обработку проводили и без ее применения. Режимы обработки: скорость резания VKp = ЗО м/с, продольная подача /SVy = 5 м/мин, глубина шлифования t = 0,02 мм/дв.ход. Площадь обработки - 300 мм2.
Согласно методике гл. 2, для оценки микрогеометрии обработанной поверхности снимались профилограммы. В табл. 4.3 приведены результаты расчета высотных параметров шлифованных поверхностей чугуна в зависимости от характеристик инструмента. Параметр Кос в зависимости от характеристик инструмента изменяется в пределах от 0,95 до 1,86 мкм. На его существенное изменение оказывает влияние металлизация зерен при их ориентации в круге. Применение технологической жидкости уменьшает величину параметра ка, причем для алмазных кругов это уменьшение больше, чем для кубонитовых.
Максимальные значения высотных параметров шлифованной поверхности получены при обработке алмазным инструментом с металлизированными зернами. Б п. п. 3.1.2. определено, что введение в состав покрытия микропорошка феррита способствует увеличению количества зерен на режущей поверхности круга. Это существенно сказывается на уменьшении высотных параметров. Так, параметр Кц уменьшается в 1,74 раза при применении технологической жидкости. При шлифовании без СОЕ этот параметр уменьшается в 1,42 раза. Параметр R ft/ уменьшается в 1,44 раза и практически не зависит от применения СОЖ.
По высотным параметрам кубонитовый инструмент занимает среднее положение между рассмотренными алмазными кругами. Однако расстояние от линии выступов до средней линии у этого круга минимально для данных условий эксперимента, если обработку проводить с охлаждением. Значения ассиметрии для шли фованной поверхности чугуна наименьшие. Это говорит о том, что при обработке чугуна кубонитовыми кругами отклонение плотности распределения ординат шлифованной поверхности от нормального закона распределения - наименьшее.
В результате анализа коэффициентов уравнения 2.5, аппроксимирующего корреляционные функции шлифованных поверхностей чугуна, установлено, что на их изменение оказывают влияние характеристики инструмента и применение технологической жидкости. В табл. 4.4 приведены значения коэффициентов уравнения Сі І J и IJ 2л/ А] . Для длин периодических составляющих в числителе приведены их значения, а в знаменателе m - отношение длины периодической составляю щей к высоте. Согласно рекомендациям СЭВ PC 3951-73, к волнистости отнесены значения длин периодов Tj t если \т\ 40. После шлифования чугуна алмазными и кубонитовыми кругами значения периодических составляющих шероховатости являются преобладающими. Сумма всех коэффициентов Lj равна единице. В процентном отношении значения периодических составляющих изменяются от 57 до 95% (рис. 4.4). Применение COI способствует уменьшению значений коэффициентов Li высокочастотных составляющих волнистости. При этом уменьшение Lj определено после шлифования кубонитовыми кругами. Данное уменьшение коэффициентов Lj высокочастотных составляющих волнистости происходит за счет уменьшения высоты периода, что сказывается на величине отношения m . Этим же объясняется уменьшение Lj при обработке кубонитовыми кругами, имеющими наименьшие высотные параметры рельефа поверхности.
Коэффициенты частотного состава случайной составляющей профиля fc j зависят от характеристик инструмента. Так, при шлифовании с охлаждением кубонитовыми кругами значение Ы\ -наибольшее. Очевидно, это связано с эффективностью применения технологических жидкостей при шлифовании чугуна исследуемым инструментом. Наилучшие условия обработки - у кубони-товых кругов, тогда как алмазные эффективно работают с применением СОТІ. Поэтому применение СОТІ уменьшает значения Ы\ для кубонитовых кругов и увеличивает для алмазных.
Значения периодических составляющих шероховатости Ті = = 0,035...О,324 мм при применении СОТЖ увеличиваются в большей степени для алмазных кругов, а значения высокочастотных составляющих волнистости Ті « 0,315...1,112 мм - для кубонитовых кругов. При обработке экспериментальных данных установлено, что на значение отношения ЇІІ существенное влияние оказывает высота периода. Поэтому для уменьшения весовых коэффициентов Ь\ высокочастотных составляющих волнистости существенное влияние оказывает высота периода.
Распределение ординат профиля шлифованной поверхности чугуна зависит от характеристик применяемого для обработки инструмента. На рис. 4.5 показаны графики распределения ординат. Значение распределения ординат на 50% уровне изменяется от 2,05 мкм до 4,73 мкм, т. е. возрастает в 2,3 раза. При этом распределение ординат профиля поверхности чугуна при обработке кубонитовыми кругами на 50% уровне равно 3,22 мкм.
Таким образом, параметры микрогеометрии шлифованной поверхности чугуна существенно изменяются в зависимости от характеристик инструмента с ориентированным расположением зе рен. Так, введение в состав покрытия зерен частиц феррита уменьшает высотные параметры шероховатости и значения асси-метрии нормального закона распределения ординат профиля.
Характер разрушения поверхностного слоя
Формирование шлифованной поверхности хрупких материалов как совокупности шлифованных рисок, образуемых вершинами зерен шлифовального инструмента, зависит от многих факторов. Исследование шлифованной поверхности магнитно-твердых І6БАІ90 и магнитно-мягких 2000НМІ ферритов проводилось с использованием электронного микроскопа РЭМ-ЮО. Данные материалы относятся к классу хрупких материалов, полученных спеканием из окислов методами керамической технологии. Характер структуры и химического состава ферритов существенно сказывается на образовании шлифовочных рисок.
При шлифовании магнитно-твердого бариевого феррита марки І6БАІ90 на обработанной поверхности шлифовочные риски имеют нечеткие очертания своих краев. Такая форма рисок характерна при обработке хрупких материалов, когда пластические деформации незначительны или вообще отсутствуют. Обработка феррита кругом с ориентированными зернами ACI5 125/100 на связке M0I6 представлена на растровых микрофотографиях поверхности при различных режимах шлифования (рис. 5.9).
При шлифовании магнитно-мягкого марганец-цинкового феррита марки 2000HMI на его обработанной поверхности риски имеют небольшую длину и неравномерно распределены на поверхности (рис. 5.10). Для этого материала образование микрогеометрии шлифованной поверхности носит случайный характер. В изломе поверхность феррита 2000HMI имеет развитый рельеф поверхности с различными включениями (рис. 5.10,г).
Исследование поверхностного слоя феррита І6БАІ90 проводили на электронном микроскопе УЭМВ-ЮОВ. В результате анализа этих поверхностей установлено, что риски имеют на краях сколы и микротрещины (рис. 5.11,а), а также на поверхности видны различные включения (рис. 5.11,6).
На рис. 5.12 представлены фотографии шлифованной поверхности серого чугуна, полученной на растровом электронном микроскопе. Формирование шлифованной поверхности имеет некоторые отличительные особенности от обработанной поверхности феррита. Для этого материала характерны наиболее ровные шлифовочные риски. При этом на них видны следы включений, которые существенно искажают эти риски.
Для установления влияния режимов алмазного шлифования на изменение фазового поверхностного слоя проводили рентге-ноструктурный анализ на дифрактометре УРС-60. В результате этих исследований установлено, что при шлифовании чугуна и ферритов кругами с ориентированными зернами фазовых изменений не наблюдается.
Таким образом, исследованиями состояния поверхностных слоев хрупких материалов после шлифования установлено, что шлифовочные риски имеют случайный характер распределения по всей поверхности. Причем на ферритах их появление носит локальный и очень случайный характер.
