Комплексная оценка параметров рабочей поверхности круга в переходном и установившемся режимах шлифования

Высокая износостойкость алмаза известна. Однако рабочая по­верхность алмазных шлифовальных кругов, как было показано, пре­терпевает существенные изменения, интенсивность которых выше в переходном /не установившемся/ режиме. Для физического представ­ления существа происходящих процессов полезно иметь количествен­ные характеристики этих изменений.

Геометрию рабочей поверхности алмазного круга в переходном и установившемся режимам шлифования целесообразно оценить по изме­нениям макро — и микропрофиля его режущей поверхности и микро­геометрии отдельных зерен. Геометрию макропрофиля круга оценива­ли двумя параметрами: углом заборного конуса и длиной прямоли­нейного участка мэкропрофиля в поперечном сечении рабочей поверх­ности.

В качестве параметров, характеризующих режущий рельеф, выбра­ны следующие: рабочая /наибольшая/ высота выступания зерен над уровнем связки (ъ ; относительная опорная длина профиля tp ; среднее расстояние между зернами Sep, мкм; С — коэффи­циент остроты зерен, определяемый отношением tp к количеству зерен на базовой длине; у* — угол атаки; количество острых / ргсвитих/ зерен ПразВ и выпавших ИЗ СВЯЗКИ Я/м, ,

.’Дногочисленность принятых критериев режущего рельефа круга обусловлена отсутствием однозначных данных о том, какой или ка-

кае. из параметров рельефа наиболее ответственны за уровень выход­ных показателей шлифования различных групп материалов, а также исчерпывающих данных о динамике изменения этих параметров в про-, дессе шлифования материалов, в том числе СТО.,

Так, по известным данным [ 143 ] , при обработке чугунов и кетермообработанной стали наиболее тесная корреляционная связь существует между углом атаки профиля алмазного инструмента и производительностью процесса, В работах [94, 95] в широком диапа­зоне изучены параметры режущего рельефа и показано, что для ха­рактеристики рабочей поверхнос’и круга необходимо использовать определенные комплексы этих параметров. При обработке материалов с различными физико-механическими свойствами определяющее влия­ние на процесс шлифования будут оказывать различные параметры ре­жущего рельефа.

Микрогеометрия отдельных зерен на рабочей поверхности круга /рис. 2.6/ оценивалась иэокетричностью Си /отношением аб

к с<ґ /, количеством впадин X, а также у, =

т / yL — средняя глубина всех впадин на / — м зерне; ^ — глубина і — й впадины; Углах ~ глубина максимальной впадины на зерне, ш/.

Изучение макропрофиля выполнено на установке, созданной на базе профилографа-профилометра и специального приспособления, обеспечивающего ориентирование круга в определенном положении по отношению к базовой поверхности I /рис. 2,7/. В четырех Диаметральных сечениях записывался профиль режущей поверхности іфуга и уровень базы. После определенного времени работа на за­данном режиме круг снимали со станка и устанавливали в приспо­соблении, после чего снова записывался профиль его рабочей пс-

Рис. 2.7. Схема установки для изучения макролрофиля кругов верхности.

Непрерывное измерение микропрофиля рабочей поверхности алмаз­ных кругов непосредственно в период шлифования затруднено. По»* тому изучение производилось дискретно пооле определенного перио­да шлифования. Качественная оценка характера износа алмазных зе­рен и связки круга проводилась с помощью оптических /ММР-4,МЩЫ, МИМ-8/ и растровых электронных /РЭМ-200, Угоё- -5ОД/ микро­скопов, количественная оценка параметров режущего рельефа — ме­тодами оптических наблюдений и профилогрэфировакия рабочей по­верхности кругов, а также специально разработанным методом.

Для количественной оценки режущего рельефа кругов оптическим методом применяли металлографический микроскоп ММР-4, В качестве базы отсчета выбрана вершина /вершины/ наиболее выступающего зер­на /зерен/ круга. Это обусловлено тем,- что в отличие от связки вершина /а для работающего круга — это уровень многих вершин наиболее — выступающих зерен/ является реальным физическим объек­том, с которым однозначно можно совмещать фокальную плоскость. Опыты по нахождению среднею уровня связки и визуального совме­щения о ним фокальной плоскости показали большую погрешность установления базы отсчета, которая в значительной мере опреде­лялась индивидуальными качествами исследователя.

Перед началом измерений изучаемый алмазный круг устанавливали на предметный столик микроскопа. При перемещении поля зрения в радиальном направлении через всю’ ширину рабочей поверхности кру­га находили наиболее выступающее зерно, вершину которого выбира­ли в качестве измерительной базы. Отсчет производился по шкале

няіфометрического викта перемещении фокальной плоскости. Затем граница поля зрения совмещалась с внутренней /или наружной/ кром­кой рабочей поверхности. По мере перемещения фокальной плоскости в глубь рельефа фиксировалось количество вершин, находящихся на уровнях 1, 2, 3, 4, 5, Ї0, 15 мкм и далее через 5 мкм. По дости­жении поверхности связки на каждом уровне дополнительно определя­ли количество выступов и впадин связки, в том числе и лунок от выпавших зерен.

Измерения заканчивались при достижении дна самой глубокой лунки на рабочей поверхности, фокальная плоскость возвращалась по шкале микрометрического винта в исходное положение. Круг с помощью мано­метрического винта предметного столика — микроскопа перемещался на длину диаметра поля зрения в радиальном направлении и вновь произ­водился подсчет описанных параметров. Процесс повторялся до конца прохождения всей ширины круга. Согласно результатам статистичес­кого анализа метода [104] , измерения необходимо повторять в 50 сечениях круга. Дня этого на наружной поверхности корпуса круга предварительно маркировались метки через 7°20′ .

Полученные данные суммировали по всем 50 сечениям и находили ях относительное значение на каждом уровне. По этим результатам строили гистограммы распределения вершин зерен и неровностей связ­ки. На гистограммах рассчитывался уровень неровностей связки, ко­личество зерен на верхнем уровне, наибольшие высота выступания зерен и глубина лунок, количество зерен и лунок на единице рабо­чей поверхности. Наряду с оптическим применялся метод профилоіра — фирования рабочей поверхности круга [104 j.

Ощупывающее устройство /рис. 2.8/, состоящее из тензометричес­кой балочки 1 с закрепленной на ней — алмазной иглой 2 и упругой балочки 3 с токопроводной иглой 4, позволяет дифференцировать не­ровности, образованные зернами и связкой круга. При обработке про — Филограмм сбор и обработку информации о режущем рельефе методом профилографирования целесообразно осуществлять в автоматизирован­ном режиме. Методика дает возможность одновременно регистрировать рельеф рабочей поверхности в аналоговой /обычная прбфилограмма/ и Дискретной формах численными значениями ординат положения вершины 0ц! упывасщей алмазной иглы с заданным шагом дисіфетизеции и выво­дом информации на перфоленту /см. схему/.Шаг дискретизации при Достоянной частоте измерений тензометра ІЩ1-5 /50 измерений в ми — “Угу/ определяется скоростью перемещения ощупывающей иглы вдоль ^ассы профилографирования.

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОЩУПЫВАЮЩЕЙ ИГЛЫ

Цифровой мост Щ1Ь5

Самопишущий прибор Н338-6П

Профилограмма Перфолента

Экспериментально установлено, что при шаге дасіфетизации, рав­ном 0,002 мм, реальный профиль удовлетворительно аппроксимирует­ся отрезками прямых, соединяющих измеренные точки для кругов с зернистостью 125/100 мхм. Привод медленного вращения обеспечи­вает линейную скорость профилографжровэния кругов І2А2 150 х 10, равную 0,10 и 0,20 мм/мин. На скорости 0,10 мл^мин профилографи — ровались круги зернистостью выше 100/80, а при 0,20 мм/мин — выше 250/200 кем.

Рис. 2,9. Методика измерения высоты выступания зерен над уровнем сзлзка

Профилограмма рельефа, закодированная в виде координат точек траектории ощупывающей иглы, выводится на перфоленту и дальше поступает для обработки на ЭВМ ЕС-Ї030. При расшифровке профи­лограмм фиксируются те же параметры, что и при оптическом анали­зе, и дальнейший расчет критериев оценки режущего рельефа ведется аналогично. Разработан новый ускоренный метод измерения высоты выступания зерен над уровнем связки, основанный на использовании особенностей износа алмазных зерен при шлифовании СТМ кругами на прочных связках. Перед иг^ерени-ем наибольшей высоты выступания алмазных зерен в пределах ■рельефа режущей поверхности круга соз­дается искусственная измерительная база на регламентированном уровне над связкой. Если к кругу на прочной связке с постоянной силой прижать выглэживателъ с плоской рабочей поверхностью из поликристалла АС: ПС, то через 4…3 кин на алмазных зернах обра­зуются значительные площадки износа. Высота их над уровнем связ­ки зависит от характеристики круга и условия прижима образца /рис. 2.Э/. Постоянство базы обусловлено высокой износостой­костью пэры трения алмаза пс алмазу. Например, для круга с алма­зами АСВ 160/125 Ї00 % на связке ММ при усилии прижиме алмазно­го выглаживателя к кругу Рн =2 МПа высота измерительной ба­зы над связкой составляет 39,6 жм. Такие значения h. a полу­чены методом профилографироЕанкя для всех исследуетиых кругов.

Расстояние между искусственной базой и поверхностью, образо — ззнной вершинами наиболее выступающих зерен, измеряли кеггссрзяот-

ЭЭ

веняс на станке с помощью приспособления, в котором установлены две индикаторные головки с ценой деления 1 мкм. Настройка инди­каторных головок на ноль производится от полированной плоскости, имитирующей уровень наиболее выступающих зерен»

Максимальную высоту выступания зерен над уровнем связки оть — ределяди как сумму h = h„ + k и, где — измерен­

ная высота зерен над базой, мкм /см» рис» 2.9/.

Производительность измерения предложенным зкспресо-методом с профилографированием режущей поверхности круга по сравнению с оптическим методом повысилась в І5-20 раз, а расхождение резуль­татов, полученных каадым из методов, не превышало 3 Я.

. Относительная опорная длина профиля /на фиксированном уровне Р / tp, среднее расстояние между зернами ВСр = ,

где а — количество зерен на базовой длине 4? , опре­

деленное методом профидогрэфированяя и последующей обработки профилограмм. После построения по црофилограммам опорных кривы? поверхности определялся угол атаки алмазного инструмента р, тангенс которого — первая производная степенной зависимости, аппроксимирующей опорную кривую. Поскольку при обработке СІМ внедрение алмазных зерен в обрабатываемый материал пренебрежимо мало, угол атаки У определялся на уровне максимально выступаю­щих зерен, Т. Со для уровня сечения профиля от линии выступов, равном нулю / Р »= 0/.

С учетом особой роли контактных напряжений, определяемых остротой зерен, в качестве параметра режущего рельефа введен коэф­фициент остроты

С = tp /п, /2.32/

где гг — — число зерен на базовой длине на уровне Р ;

tp — относительная опорная длина профиля на уровне Р.

Количество выпавших из связки зерен на площадках износа с разви­тым субмикрорельефом /"острых"/ определяли на оптическом микро­скопе» Экспериментальные данные обрабатывали с помощью аппарата математической статистики [ї2ї] .

Производительность процесса шлифования, качество обработан­ной поверхности, нагрузка на алмазный круг, его износ и стой­кость в значительной степени обусловлены количеством зерен, участ­вующих в работе. Результаты определения количества активных зерен

теоретически и експериментально существенно различается [iSOj, поскольку при эксплуатации и вскрытии закономерность распределе­ния зерен в слое работающего круга зависит от многих случайных факторов, методика к способы учета которых токе вносят искажения»

В заботе использован метод отпечатков на фольге — один из досто­верных, по мнению автора работы [ї28] , методов определения коли­чества работающих верен. Опечатки получили непосредственно на станке прижатием обрабатываемого поликристалла через фольгу тол­щиной 4 мкм к рабочей поверхности круга под давлением Рн • при котором велась обработка» Способ удобен тем, что осуществляем­ся непосредственно на станке без снятия круга, а отпечаток поду­чается при контакте двух ранее взаимодействовавших поверхностей. Количество зерен, находящихся в контакте с обрабатываемым мате­риалом, подсчитывается по отпечаткам в бинокулярном микроскопе.

Для получения среднего количества зерен, находящихся в контакте, обрабатывалось ЮС отпечатков,

Измерение перечисленных параметров производилось периодичес­ки в процессе алмазного шлифования СТМ, что позволило проследить количественное изменение их во времени.

Для изучения геометрии и миьрогеометрия отдельных зерен до работы с помощью рисовального аппарата РА-4 и микроскопа МЦД-1 зарисовывался полный профиль каждого зерна яри увеличении х 350, Рисунок профиля готовили в соответствии с разработанным комплек­сом геометрических параметров. Для этого находили большую ось, соединяющую максимально удаленные друг от другв точки профиля. Параллельно ей проводили касательные к профилю тт и ап. Расстояние между ними по перпендикуляру определяй? длину малой оси ьй, . Затем вокруг профиля описывали выпуклый многоуголь­ник так, чтобы зазор между точкой пересечения двух последователь­ных касательных и профилем не превышал 2 мм. На реальном эернз это соответствовало бы с учетом принятого увеличения примерно 5…5 мкм. Именно впадины такой глубины не учитывались при ана­лизе макропрофиля.

Впадиной будем называть пространство, расположенное между стороной описанного многоугольника и профилем. Глубина впадины — наибольшее расстояние от стороны многоугольника до профиля»

Для каждой группы зерен находили средние значения параметров

Си, К, Уер, У max профилей зерен.

Особое внимание исследователей привлекают переходные процесс,, шлифования, характеризуемые снижением развитости рабочего рельеф• и режуией способности круга.

При шлифовании всех материалов кругами на металлических связ­ках высота выступания зерен над связкой круга снижается от перво­начального значения h исх до некоторого определенного для каж­дого обрабатываемого материала уровня, который в дальнейшем не изменяется. После переноса качала координат взерх по оси п. на расстояние, близкое hycm, ось будет зссимптотой к кривой, и в новой системе координат кривая опишется выражением

^ ~ hуст “ (/і дат ” hуст)ЄХр(~ dfr Т). /2.33/

После перехода к прежней системе отсчета и обозначения ah ■= h-исж ~htfcm выражение /2.33/ запишем в виде

При аппроксимации экспериментальных точек по методу наимень­ших квадратов эмпирические коэффициенты / ak ~ амплитуды снижения высоты зерен и at ^ , характеризующий интенсивность

снижения высоты зерне/ будут зависеть от принятого значения hycmi • "’’’•тону для их определения более удобно перейти к ап­проксимации экспериментальных значений скорости снижения высоты зерен

В отличие от высоты зерен, установившийся уровень которой для различных материалов неодинаков, скорость снижения высоты зерен к моменту установившегося шлифования для всех обрабатывае­мых материалов приближается к нулю, т. е. ось является асимптотой кривой /2.35/.

Поскольку высота выступания зерен hue» вскрытого круга — величина постоянная, степень и интенсивность снижения этой вы­соты достаточно полно характеризуется величинами сбд, hyem. Аналогично описывается изменение количества зерен, находящихся на верхнем уровне г каждый момент сглаживания режущего рельефа:

Относительная опорная длина профиля на верхнем уровне изме­няется по более сложному закону и удовлетворительно аппроксими­руется выражением

tp — at Tst expс11) /2.37/

В результате сглаживания рельефа рабочей поверхности наблю­дается монотонное снижение интенсивности съема припуска со значе­ния @исг до tpi/cm 4 В этот же временный интервал ско­рость изменения производительности шлифования снижается практичес­ки до нуля. График скорости изменения производительности шлифова­ния от продалкительности обработки аналогично графику изменения высоты зерен h. удовлетворительно аппроксимируется выражением

После его интегрирования по параметру V получим выражение, описывающее изменение интенсивности шлифования

/

Е выражениях /2.36/, /2.37/ Q — текущая интенсивность шлифования, мм3/с; Qycm — установившаяся интенсивность шлифо­вания, ым3/с; &(р — амплитуда снижения интенсивности шлифова­ния за период сглаживания рельефа круга; мм3/с; j3q — эмпири­ческий коэффициент, 5/°; 2“ ~ продолжительность шлифования;

dfdf текущая скорость изменения интенсивности шлифования, мм3/с.

Для сравнения состояния режущего рельефа и выходных показа­телей шлифования различных материалов желательно, чтобы условия нагружения при обработке каждого из исходных материалов способст­вовали наибольшему внедрению рабочей поверхности круга в обраба­тываемый образец. Эффективность реализации режущей способности оценивалась скоростью врезания YJ /подача/ рабочей поверхности в обрабатываемый материал при регламентированной развитости рабо­чего рельефа. Максимальная и приходящаяся на единицу приложенного усилия Ру скорость, т. е. максимальная удельная скорость вре­зания IVyi? , принята в качестве критерия оптимизации. В зави­симости от степени затупления круга различали исходное и сглажен-

ное состояния режущего рел;зфа, а также промежуточные значений его развитости*

Под сглаженным рельефом рабочей поверхности понимается егс состояние после окончания переходного периода затупления круга и наступления установившегося процесса шлифования, а под исход» ним — после обновления рабочей поверхности одним из безабразив» них методов, например электрохимическим.

Экспериментально полученные значения скорости врезания ап» зроксимировались по методу наименьших квадратов выражением

в котором CLw, Civ — эмпирические коэффициенты, за­висящие от условий шлифования. Па него нетрудно получить интер:- сущую нас удельную скорость внедрения рабочей поверхности круга

WyJ = w/py ;

Wyd = а» (Ру)(6"Ч)ехр(-Сн, Ру). /2.41,

Известно, что максимум выражения /2.41/ определяется при

Ру — (6W — і)/ cw. /2.42/

Чтобы уменьшить влияние сглаживания рельефа рабочей поверх­ности на уровень режущей способности, продолжительность опыта выбиралась минимально возможной /15…20 с/. Для исключения пог­решностей, вносимых при динамическом нагружении круга, усилие Ру увеличивалось плавно и непрерывно. В процессе опыта усилие прижима от нулевого значения непрерывно увеличивалось по закону

Ру =а, Г, /2.43/

где (If — скорость возрастания силы;’ £~- текущее значение времени шлифования. Силу прижима детали к кругу регулировали с помощью специально разработанного рычажно-гидравлического уст­ройства. Диаграмма линейного съема с образца численно дифферен­цировалась, а полученные значения скорости врезания эппроксими-

ровадись функцией вида

W“ О-гТ6” exp(-c2t), /2.44/

ддЯ которой 0*2 I I С2 — коэффициенты, зависящие от уо — довий шлифования.

Обозначив <2^ = azlcti > С-ш = сУс, и восполъ — рвавшись условием /2.43/, получим зависимость интенсивности шли­фования в виде /2.41/»

Следовательно, чтобы рассчитать усилие прижима, обеспечиваю­щее наибольшую удельную скорость внедрения режущего рельефа, дос­таточно определить по методу наименьших квадратов коэффициенты

При разработке специального приспособления, регулирующего длительность и интенсивность нагружения круга, решалась задача обеспечения акта шлифования не более чем за один оборот круга с последующим одно — или многократным его повторением на ток же участке рабочей поверхности круга. Ііубковое устройство позволяло идентификацию актов резания и электрофизико-химического воздейст­вия относительно фиксированного участка на режущей поверхности круга. Для обеспечения кратковремннности процесса резания ясполъ — вован принцип шлифования "падающего" образца.

Обрабатываемый образец Ї /рис. 2.10/ закрепляется в корпусе 2. В исходном состоянии приспособления пружина 3 удерживается во взведенном состоянии чекой 5. Спуск пружины происходят в момент пережигания чеки 5 мощным импульсом электрического тока, посту­пающим от пускового устройства.

В момент пережигания чеки начинается подвод образца к кругу. Поскольку резание осуществлялось по схеме попутного шлифования "падающего " образца, в начальный момент обработка велась со ско­рость» круга, а затем скорость резания по мере ускорения образце снижалась до нуля. Подбором массы дополнительного груза опытным путем регулировалась инерционность подвижной части приспособле­ния с таким расчетом, чтобы не более чем за один оборот круга процесс резания прекращался в процесс взаимного обкатывания ре­жущей и обрабатываемой поверхностей и заканчивался выбраскваниен образца из зоны шлифования. Разброс меота повторных врезаний на рабочей поверхности круга по углу отклонения от центра рассеива­ния не превышал і 30°, что позволило при общем угле резания 300° выделить для анализа зону примерно 180°, т. е. половину режущей

Рис. 2.10. Кинематическая и электрическая схемы устройства дтя кратковременного резания

поверхности круга.

Электрофизико-химическое воздействие на изучаемый участок рабочей поверхности длительностью, равной времени одного обороте шпинделя,- идентифицируется с определенным участком закрепленного на нем круга с помощью описанного пускового устройства. При ис­следовании процессов сглаживания-востановления режущего рельефа круга в целях раскрытия сущности физических явлений параллельно изучалось изнашивание обрабатываемым материалом единичного зерна, находящегося в совокупности зерен рабочей поверхности круга.

Для исследования особенностей взаимодействия поверхностей обрабатываемых материалов и связки, а также элехтрофиэико-хими- ческого воздействия на нее вместо единичного зерна в рабочую поверхность встраивали образец из материала связки. Наряду с этим использовались специальные круги с рабочим слоем, не содер­жащим алмазов.