Установленные закономерности управления режущим рельефом позволили сформулировать требования к алмазным кругам и определить границы их характеристик, предпочтителвных для шлифования каждого из исследуемых материалов.
При поиске оптимальных условий обработки интенсивность удаления связки удобнее задавать не условной платностью тока, а силой тока цепи управления. Если при регулирования интенсивности удаления связки одного и того же круга оба параметра равноценны, для различных кругов при использовании в качестве параметра силы тока необходимо вводить поправку на изменение площади круга, занимаемой связкой. В производственных условиях в связи с большей простотой измерения’и контроля общепринято пользоваться силой тока.
Целесообразность использования связок кругов в управляемом процессе шлифования оценивалась экспериментально с учетом сформулированных требований высокой износостойкости и прочности алмаэо- удержания. Были исследованы связки на медно-оловяяней основе
М4 , медно-алюминиевой МВФ, кобальтовой МОЗ, железной MX, твердосплавной ВК-6 и адгезионно-активной МІ Ті Н% „ Подбором скорости удаления ейяэки каждого круга при постоянных условиях шлифования добивались одинаковой производительности.
Анализировались сравнительные данные по удельному расходу алмазов при шлифовании твердого сплава КНТ-16 с производительностью 5 мм3/с. Снижение удельного расхода почти вдвое подтверждает вывод об эффективности применения связок с более высоким алмазо- удержанием. Меньшая скорость линейного износа круга на более проч
ной связке при одинаковой производительности обработки объясняет^ ся установленной закономерностью увеличения количества зерен на рабочей поверхности и в контакте с обрабатываемым материалом. При меньшем количестве ре.’кущях зерен в круге на малопрочной связке равная производительность достигается за счет их остроты, способствующей большему внедрению в обрабатываемый материал. Однако скорость износа более острых зерен выше, а значит, в соответствии с условием стабильности процесса необходимо назначить и равную ей, более высокую скорость удаления связки. Удельный расход алмазов в круге на связке МІ +■ Ті Нг составляет 0,4…0,57 удельного расходе на связке МВІ при шлифовании всех исследуемых материалов. Очевидне, что более прочное удержание алмазов способствует большему участию зерен в работе.
Оценку влияния зернистости на эффективность использования алмазов в шлифовальных кругах целесообразно проводить, когда в процессе резания потенциально участвует одна и та же масса алмазов и износ алмазных кругов постоянен. Для этого концентрация алмазов и усилие прижима кругов были приняты одинаковыми.
Полученные зависимости производительности от зернистости алмазов свидетельствуют о том, что ее влияние при шлифовании уменьшается по мере перехода от мягких к более твердым материалам.
При постоянной концентрации алмазов в круге с увеличением зернистости уменьшается количество зерен в объеме алмазоносного слоя и на рабочей поверхности, следовательно, нагрузка на каждое из них вырастает. В случае шлифования пластичных материалов ЭИ-765, в особенности меди, наблюдается глубокое внедрение крупных зерен в обрабатываемую поверхность и снятие стружек больших размеров. У кругов с крупными алмазами межзеренное пространство для размещения стружек больше, а вероятность контактирования отходов со связкой меньшая.
Производительность шлифования ЭИ-765 зерном 200/160 мкм в 1,7 раз выше, чем зерном 63/50 мкм, а для меди производительность повышается в 2,5 раза. При обработке твердых хрупких материалов, где вылет зерна из связки не может непосредственно способствовать большей глубине его внедрения в обрабатываемый материал, повышение производительности при увеличении зернистости круга незначительно. В опытах по шлифованию керамики производительность обработки возросла в 1,6…1,8 раза, для твердых сплавов — в 1,2…1,4 раза, сверхтвердых — в 1,2…1,3 раза. Характерно, что основной при
рост производительности наблюдается при переходе от мелких зернистостей к средним. Увеличение зернистости свыше 80/63-І25/Ї00МКМ не дает ощутимой прибавки производительности, а для обработки СТМ и керамики эти зависимости имеют экстремум. Уменьшение производительности при шлифовании более мелкими зернами объясняется увеличением их количества на рабочей поверхности а, следовательно, снижением, нагрузки на каждое из них до уровня, недостаточного для самозатачивания. При одинаковой скорости удаления связки мелкие зерна быстрее выпадают, производя меньший съем обрабатываемого материала, приходящийся на равный износ круга. Берна размерами более 100/80 мкм склонны к образованию площадок износа, которые препятствуют внедрению его в обрабатываемый материал. Отсутствие микрокромок на зерне отрицательно сказывается на эффективности разрушения обрабатываемого материала, в особенности сверхтвердого поликристалла на основе алмаза. При зернистостях алмазов 63/50 — Ї00/80 мкм наблюдается оптимальное сочетание рассмотренных выше факторов, действие которых противоположно направлено.
Общая зависимость влияния увеличения зернистости на качество обработанной поверхности — возрастание шероховатости /по параметру Ra / всех исследуемых материалов в 2…3 раза. Некоторое нарушение этой тенденции наблюдается при зернистостях 50/40 мкм, особенно в условиях шлифования высокопластичных материалов. Шероховатость в этих случаях начинает возрастать из-за контактирования обрабатываемой поверхности со связкой круга. Интервалы изменения шероховатости в зависимости от зернистости такие же, как и для традиционного высокопроизводительного шлифования [їіз] . Выходные показатели шлифования зависят от всех факторов — силы тока в цепи управления, нормального давления в контакте, концентрации алмазов, частоты вращения круга и др.; существенно влияет и их взаимодействие.
С учетом одновременного действия всех исследуемых технологических факторов определен минимум себестоимости обработки как основного параметра оптимизации. Для обработки КНТ-16 минимальная себестоимость составила 0,035 коп, /ш3, ЭИ-765 — 0,00429 код./і*3. Оптимальное сочетание технологических факторов при шлифовании: для КНТ-16 Р« = 2 МПа, У = 4 А, К = ТОО Vtep^TH, м/с;
для ЭИ-765 Р„ = 0,8 МПа, У = 7 А, К = *50 %, V*p = 24 ц/с.
Нормальное давление в контакте Рн во взаимодействии с силой тока У , концентрацией алмазов X оказывает решающее влияние на выходные показатели шлифования. Увеличение нормального дав —
лекия в четыре раза способствует повышению пролзвсщителььисти в 3,5 раза, снижению удельного расхода более чем в пять раз и себестоимости обработки более чем в шесть раз. Полученные результаты повышения производительности свидетельствуют о высокой внедряемости режущего рельефа в области нормальных давлений
Рн — i,5,,.2,0 МПа, Снижение удельного расхода объясняется улучшением самозатачивания зерен при возросших удельных давлениях на каждое из них. Обработка при более высоких давлениях ограничивается повышением температуры в зоне шлифования и шероховатости до значений, при которых для придания необходимых эксплуатационных свойств обработанной поверхности потребуете^ дополнительная отделЬчная операция. Это существенно снизит экономичность технологического процесса в целом.
Рассмотренные закономерности распространяются и на шлифование жаропрочного сплава ЭИ-765, но степень влияния нормального давления ка выходные показатели обработки ниже. При увеличении нормального давления в четыре раза удельная себестоимость и удельный расход снижается примерно в три раза. Очевидно, низкая микротвердость сплава ЭИ-765 способствует внедрению зерен на определенную глубину при Рн — 0,3 МПа, дальнейшее повышение нагрузки на круг сопровождается меньшим приращением внедрения зерен, чем d период увеличения нагрузки от нуля до 0,3 МПа. Незначительное влияние величйны Рн при обработке жаропрочного сплава объясняется образованием на зернах вследствие термоактивируемых видов износа площадок больших размеров, чем в случае преимущественно хрупкого износа, например, в процессе шлифования безвольфрамового твердого сплава.
Ранее рассматривалось влияние интенсивности электрохимического воздействия на физические и технологические параметры процесса шлифования с управлением режущим рельефом и установлены его широкие возможности. Для шлифования всех исследуемых материалов существует оптимальное значение силы тока, обеспечивающее минимальную себестоимость. Интенсивность разрушающего воздействия на связку не непосредствевно, а через изменяющийся характер распределения высоты зерен на рабочей поверхности, скорость их износа, формирование субмикрорельефа площадок износа оказывает влияние на эффективность съема обрабатываемого материала.
Выходные показатели шлифования меньше всего зависят от частоты вращения круга. Частоту встреч алмазных зерен с обрабатываемой поверхностью можно регулировать равным количеством раоотагаш: верен, изменяя нормальное давление, сяду тока и концентрацию алмазов-. В наибольшей мере влияляе скорости резания проявляется на температурном режиме и шероховатости обработки?
Выходные показатели управляемого процесса шлифования CTV также определяются практически всеми учитываемыми факторам. В отличие от традицизнного алмазного шлифования СТМ влияние втих факторов не изменяется от продолжительности обработки.. Различная степень их влияния и эффекты взаимодействия свидетельствуют о сложности явлений, происходящих в зонах шлифования и управления.
С увеличением зернистости крута от 80/63 до 200/160 наблюдается снижение производительности обработки-в 1,4 раза, что, очевидно, объясняется остротой мелких зерен и меньшей их прочностью, необходимой для процесса самозатачивания, а также повышенным количеством мелких зерен в контакте с СТМЇ Такая закономерность наблюдалась в первые минуты и при алмазном шлифовании, т? е’. в условиях исходного развитого рельефа. Увеличение удельного расхода алмазов крупных зернистостей обусловлено склонностью таких зерен к преобладающему образованию площадок износа при увеличении выступания — мэкрораэрушению у заделки. Этим же объясняется я рост уДельной себестоимости обработки.
При повышении частоты вращения круга в диапазоне 20-..-.40 щ/о производительность шлифования увеличивается от Ї6 до 2? мма/мин за счет увеличения энергии воздействия зерен на поликристалл и числа встреч зерен круга с обрабатываемой поверхностью в единицу времени. Снижение удельного расхода алмазов объясняется меяьгей интенсивностью иикроразрушения зерен вследствие увеличения предела прочности зерен при импульсном нагружении [39] і
Рост температуры в зоне резания с увеличением частоты вращения круга способствует протеканию термически активируемых процессов, что облегчает разрушение Ста, снижает удельную энергоемкость обработки в два раза? Влияние термоактивируемых процессов, по-видимому, сказывается и на улучшении шероховатости по верхностиі Тангенциальная сила резания при этом несколько падаете
Увеличение нормального давления от I до 2 Шэ резко повышает производительность обработки за счет больших контактных давлений, однако дальнейший рост ограничивается прочностью СІМ. Снижение удельного расхода алмазного круга, очевидна, объясняете* процессом самозатачивания алмазных зерен под действием больших нагрузок и более полного использования их потенциальных режу-
hex свойств до вшгадеяжя із связка* Шероховатость обработанной поверхности прн атом увеличивается вследствие больней глубины распространения предельных напряжений на нятне контакта верна с СТИ*
Применение арочных связок открывает возможности повышения эффективности использования потенциальных режущих овойств алмазов выбором минимально возможна значений их концентраций в рабочем слое. Шлифование кругами пониженных концентраций более экономично по себестоимости благодаря снижению удельного расхода алмазов.. Однако уменьеение концентрации ниже ТОО f приводят к заметному падению производитальноотя обработки. Снижение высоты выступания зерен и увеличение вследствие втого вероятности контактирования связки сопровождается ростом шероховатости обработанной поверх» нести и температуры яри шлифования. В большей мере это относит» ся к обработке жаропрочного сплава, где сближение связки и обрабатываемой поверхности, вероятность их контактирования возрастает яэ-аа больмего внедрения зерен в обрабатываемый материал и образования более крупных стружек^ По всей видимости, круги с концентрациям менее 75 % дія обработки безволъфрамового и — ТОО % для жаропрочного сплава модно использовать в сочетании со связкой, прочность алмазоудержания которой выше, чем у исследуемой.
В зависимости от концентрации круга пропорционально изменяется ко личество алмазных зерен на его рабочей поверхности и в контакте с обрабатываемым материалом при одинаковой рабочей высоте, а это и определяет выходные показатели процесса шлифования СТМ.
Предположение о целесообразности осуществления управляемого процесса алмазного шлифования СТЫ кругами с малыми концентрациями было проверено на кругах, отличных от серийно выпускаемых.
Установлено, что прн концентрации алмазов в круге 150 % я 25 f производительность процесса одинакова. Это объясняется уменьшением рабочей высоты верен таким образом, что количество их в контакте с СТМ практически не меняется. Стабилизация такой рабочей высоты зерен обеспечивается равенством линейной скорости растворения связки и скорости износа зерен.
Снижение удельного расхода объясняется увеличением коэффициента участия алмазных зерен в работе, т. е. уменьшением количества преждевременно выпавших из связки зерен. Однеко удельная себестоимость процесса падает при этом не столь значительно, что связано с увеличением стоимости одного карата алмазоз
в кругах с емкой концентрацией.
Незначительное увеличение шероховатости обработанной поверхности и температуры в зоне резания ори снижении концентрации обусловлено, очевидно, изменением субмикрорельефа алмазных зерен и характером разрушения при различной высоте выступания их над связкой.
Таким образом, в управляемой процессе шлифования, в котором обеспечивается стабилизация развитости рехунего рельефа, режимы шлифования, характеристики кругов существенно влияют на показатели обработки СТМ; При втом для исследуемых условий обработки установлено, что повышение производительности шлифования СТМ достигается снижением зернистости алмазов, повышением нормального давления и частоты вращения крута. Существенное снижение удельного расхода и уменьшение удельной себестоимости процесса обработки СТМ обеспечиваются кругами с малой концентрацией вл — мавов /25;..50 %/.
Стабилизация оптимальных статистических значений параметров режущего рельефа алмазных кругов открывает и новые возможности обеспечения качества обрабатываемых изделий. Проиллюстрируем ото на примере заточки инструментов из сверхтвердых материалов. Идеальная режущая кромка образуется рересечением передней я задней поверхностей инструмента; Реальная режущая кромка представляет собой переходную поверхность с развитым субмикрорельефом и характеризуется ее шероховатость» Rz и радиусом округления/5. На основании оптических исследований инструмента из СТИ в поляризованном свете, измерений шероховатости его рабочих элементов и остроты кромки установлено, что при алмазной обработке их значения могут различаться в 50. .’.’70 раз; Улучшение миврогеометрии режущей кромки не может быть достигнуто только за счет уменьшения шероховатостей передней и задней поверхностей инструмента, так как на формирование влияют хрупкое разрушение поликристалла при скольжении по его поверхности алмазных зерен круга и разрушение отрывом в результате волновых процессов.
Размеры сколов и микрогеометрив кромки определяют такие основные параметры: сила резания и направление ее приложения; фи — зико-межаническне свойства сверхтвердого поликристалла в исходном состоянии и их изменение в процессе обработки.; угол заострения режущей кромки, определяющий ее прочность. Существенное влияние на размер сколов оказывает температура в зоне резания и связанные с ней временные термонапряжения в пракрояочяых участках.
Немаловажная роль в образования сколов режущей хромки может принадлежать порам и трещинам в поликристаллах, например в поликристаллах синтетического Далласа. Это ослабляет прочность режущей кромки инструмента.
Под действием алмазных зерен круга отдельные кристаллиты, находящиеся у вершины материального клина, сравнительно легко отделяются от основной массы поликристалла, потому что связь между кристаллитами в этой зоне ослаблена. Кристаллиты будут отделяться от основного объема до тех пор, пока не образуется поверхнсси в которой эта связь достаточна, чтобы противостоять выкалывающему действию алмазного зерна. Острота кромки при этом зависит в основном от абсолютного размера скола, а шероховатость — от взаимного наложения отдельных микросколов, которые образованы каждым алмазным зерном, находящимся в контакте с кромкой. Поэтому изменение одного и того же параметра процесса обработки может по-раэ — всму влиять на шероховатость ж радиус округления режущей кромки. Важную роль здесь могут играть размеры кристаллитов СТМ, а также степень их взаимного прорастания в процессе синтеза. Очевидно, что чем она выше, тем меньше вероятность вырывания отдельных целых кристаллит** из основного объема поликристаллов, т. е. возможности для проявления янтеркристаллитного разрушения меньше. Видимо, основаны будет механизм травскристаллитного разрушения, вследствие чего рехуїшя кромка может быть более острой и менее шероховатой. С ростом силы тока в цепи управления шероховатость кромки уменьшается. Это объясняется более равномерным скалыванием кромки вследствие того, что увеличивается скорость растворения металлической связки, чаще в работу вступают новые острые зерна, уменьшается возможность контакта затачиваемого резца со связкой.
Изменение нормального давления обрабатываемого резца на круг от 0,6 до 1,0 Ша приводит и росту шероховатости кромки, так как возрастают силы, приходящиеся ка каждое зерно, что увеличивает неравномерность сколов.
По мере повышении частоты вращении усиливается ударное воздействие зерен круга на кромку, возрастает неравномерность сколов, однако из-за увеличения частоты встреч зерен скалывание происходит более равномерно, что несколько снижает ее шероховатость.
С увеличением концентрации в диапазоне 50…150 t шероховатость режущей кромки Rr уменьшается, что обуслоаяено увеличе-
шем количества верен нэ поверхности круга и снижением неравномерности окалывания кромки» Более интенсивно снижение шерохо — 18Т0СТК наблюдается при увеличении концентрации алмазов в круге )? 50 до ICO %, Наименьше* шероховатостью кромки обладают резни, іатсченнне кругами на связке МВЇ / Rz « 10 шор’» наибольшей — іа ШК / ■= 14,5 mkiV* Это объясняется высокими физяко-меха-
шческими свойствами связки МВІ, прочным удержанием зерен, а тек» w скоростью ее электролитического растворения я влектрсэрозионного разрушения.
По мере усиления тока цепи управления острста кромки также изменяется. Повышение скорости растворения связки круга ведет к ускорению обновления рельефе, увеличению сил резания и радиуса округления кромки. Однако с ростом высоты выступания зерен уменьшается возможность контакта связки круга с кромкой, снижается тепловая напряженность в прякрокочннх участках, вздувая к уменьшению f. Очевидно, второй фактор несколько преобладает.
Повышение нормального давлення обрабатываемого резца на круг в исследуемом диапазоне 0,6.,.1,0 МПа обусловливает екстремальний характер изменения радиуса округления кромки. Перегиб наблюдается при усилии 75 Но У стили е прижима ведет к увеличению силы резания, а последнее влияет на размеры сколов кромки, что вызывает рост ее радиуса округления. При усилии свыше 75 Н уменьшаются вибрации в системе, приводящие к снижению абсолютного размера сколов режущей кромки и, следовательно, к росту ее оотротн. При увеличении частоты вращения круга происходит спад и суммарной силы резания, и приходящейся на отдельное зерно. В результате втого уменьшаются сколы режущей кромки» Изменение концентрации алмазов в круге от 50 до 450 % вызывает уменьшение радиуса округления режущей кромки р. По степени уменьшения радиуса f> связки можно расположить в следующем порядке:
M8I — 12 мкм; ПМІ — 41 шш; ІШ2 — 9 мкм. Здесь характер изменения остроты кромки находится в корреляции с закономерностью изменения силы резания при шлифовании,’
В исследуемом диапазоне режимов обработки и характеристик кругов контролируемые параметры изменялись следующим образом:
Р «= 40..;IS мкм, Rz кр «= 9.’,.42 мкм. При обработке твердого сплава f> с із.,Я6 мкм и Rz «= 2,5…3,2 мкм, для быстрорежущей стали РЇ2 р = 7.І.10 мкм, Rz = 2.2…3 мкм и для минералокераыики р = 16…20 мкм, l? z «■ 5…6 мкм.