ШЛІФУВАННЯ З КЕРУВАННЯМ ПАРАМЕТРАМИ РОБОЧОЇ. ПОВЕРХНІ КРУГА Ж СИСТЕМА. 1.1 Сучасні способи керування параметрами РПК при шліфуванні

Використання різальних властивостей алмазів при шліфуванні кругом значною мірою залежить від виду зв’язки, на якій виготовлений алмазовмісний шар. Так, за даними Т. Н.Лоладзе і Т. В.Бокучави, при шліфуванні алмазними кругами на бакелітовій зв’язці АС 40-Б1-100 зразків із молібдену МВ1 викорис­товується тільки 9% різальних властивостей алмаза, жароміцного сплаву ХН70ВМТЮ — 6%, титанового сплаву ВТ-1 — 3%, сталі 40 — 2%, сірого чавуна СЧ 18-28 — 0,07% [1]. Отже, для ефективного використання різальних властиво­стей алмазу в інструменті він повинний бути надійно закріплений у матриці алмазовмісного шару.

Властивість міцного утримання зерен у матриці алмазовмісного шару мають металеві зв’язки, що являють собою композиції на основі міді, олова, за­ліза, алюмінію, нікелю та інших металів [2]. Однак, підвищення міцності закрі­плення зерен за допомогою металевих зв’язок призвело до втрати кругами влас­тивості самозаточування, у результаті чого різальна здатність РПК із збільшен­ням часу обробки постійно знижується. Зниження різальної здатності робочої поверхні відбувається, в основному, через відсутність пор на поверхні метале­вої зв’язки, у зв’язку з чим згодом стає неможливим розміщення стружки в між- зеренному просторі, об’єм якого, сформований під час правки, зменшується в процесі шліфування в результаті зносу зерен, а також схильністю металевої зв’язки до схоплювання з оброблюваними металами і сплавами. Зниження різа­льної здатності РПК збільшує потужність різання і сприяє підвищенню темпе­ратури в зоні шліфування, величина якої може перевищити поріг фазово — структурних перетворень у поверхневому шарі деталі.

Підвищити різальну здатність РПК можна введенням до складу метале­вих зв’язок твердих неметалевих наповнювачів: абразивних порошків, анти­фрикційних добавок, твердих мастил. Так, абразивні порошки підвищують тве­рдість зв’язки, зменшують долю металевої фази і, відповідно, площі контакту металевої основи з поверхнею оброблюваного металу і, як наслідок, зменшують схоплювання зв’язки з оброблюваним металом. Тверді мастила типу графіту або дисульфіду молібдену крім перерахованих вище ефектів забезпечують знижен­ня сил тертя на поверхні зв’язки [3]. Менше схильні до засалювання і забезпе­чують зниження температури в зоні різання при шліфуванні твердих сплавів круги на зв’язках МОЇ З, М04, МВ1, ТМ2, які мають властивість самозагост — рення [4].

Однак, перераховані прийоми не усувають проблеми зниження працезда­тності кругів при шліфуванні широкої номенклатури виробів із різних матеріа­лів, тому що мають низьку оперативність і не усувають основних причин зни­ження працездатності різальної поверхні: контактування зв’язки з оброблюва­ним матеріалом і зміни за час обробки об’єму міжзеренного простору на РПК.

Використання для цілей формування параметрів РПК електричної ерозії, електро-фізикохімічних дій і механічної дії на зв’язку вільним абразивом по­клали початок розробці оперативних способів підвищення різальної здатності шліфувальних кругів, а їх становлення може бути умовно розділене на два пе­ріоди.

Перший період характеризувався розробкою способів правки, заснованих на перерахованих вище процесах, при яких у процесі правки, поряд із наданням необхідної геометричної форми круга, здійснювалося формування і параметрів РПК. Правка круга, як правило, виконувалася на окремих стендах або модерні­зованому устаткуванні і не сполучалася з процесом обробки виробів. У процесі правки формувалася достатня величина виступання зерен із зв’язки, що забез­печувало в початковий період алмазного шліфування максимальну різальну здатність робочої поверхні круга за рахунок виключення контакту зв’язки з об­роблюваним матеріалом. Однак із часом оброблення різальна здатність круга поступово знижувалася.

Другий період становлення оперативних способів підтримки різальної здатності круга характеризується поєднанням електроерозійних, електро — фізикохімічних дій та дії на зв’язку вільним абразивом із процесом обробки ви­робів. При цьому не тільки усувається контакт зв’язки з оброблюваним матеріа­лом, але і підтримується постійна середня висота виступання зерен із зв’язки протягом усього часу оброблення, що дозволило за рахунок стабілізації різаль­ної здатності круга підвищити ефективність та технологічні можливості алмаз­ного шліфування кругами на металевій зв’язці.

Оскільки при здійсненні дій на РПК одночасно з обробкою виробів інтен­сивність цих дій узгоджується із задачами стабілізації вихідних показників об­робки і зберігання певних параметрів РПК постійними, то такі дії на РІЖ мо­жуть бути віднесені до керуючих, а процес підтримки різальної здатності круга — до керування різальною здатністю круга в процесі обробки.

Розглянемо сучасні способи керування параметрами РПК при шліфуван­ні.

Узагальнення опублікованих матеріалів, присвячених керуванню різаль­ною здатністю круга при алмазному шліфуванні [5, 6, 7, 8 і ін.] дозволяє здійс­нити класифікацію існуючих способів за наступними ознаками (рис. 1.1):

— за видом використовуваної для дій на РПК енергії: електроерозійний (теплова енергія), електро-фізикохімічний (хімічна енергія), вільним абразивом (механічна енергія);

— за видом джерел технологічної енергії: способи, що використовують імпульсні джерела технологічного струму, джерела постійного та перемінного струму;

— за розташуванням зони введення технологічної енергії: у зону різання, в автономну зону, комбіновано в зону різання й автономну зону;

Рис. 1.1. Класифікація способів керуючих дій на робочу поверхню шліфувального круга

— за спрямованістю дій: на зв’язку, на зерно;

— за кількістю типів енергії, які поєднуються в керуючих діях: комбінова­ні способи, що поєднують теплову і механічну, хімічну і теплову, хімічну і ме­ханічну енергії;

— за співвідношенням часу шліфування і керуючих дій: способи з безпе­рервними або періодичними діями.

Виникнення керування різальною здатністю кругів на металевій зв’язці пов’язане з розробкою в Харківському державному політехнічному університеті колективом учених під керівництвом М. К. Беззубенко та А. І. Грабченко алмаз­но-іскрового шліфування (АІШ) [8] та способу заточування різальних інстру­ментів із синтетичних надтвердих матеріалів [6]. Сутність АІШ полягає в поєд­нанні процесу різання алмазними зернами оброблюваної деталі з одночасним електрофізичною дією на інструмент і деталь за рахунок введення в зону різан­ня імпульсного технологічного струму в середовищі звичайних шліфувальних мастильно-оходжувальних рідин (МОР). При обробці надтвердих неструмопро — відних полікристалів у процесі їх шліфування здійснюється безперервна елект- ро-фізикохімічна дія на зв’язку круга в автономній зоні з метою її електролітич­ного розчинення і електроерозійної руйнації, що забезпечує постійну величину виступання зерен із зв’язки. Процес дій на робочу поверхню круга в автономній зоні був поширений на обробку струмопровідних виробів [5], а потім був за­пропонований спосіб шліфування з подачею технологічної енергії одночасно в зону обробки та в автономну зону [7]. Принципові схеми шліфування, що вико­ристовують електроерозійні способи керуючих дій на РПК, подані на рис. 1.2, а, б, в.

Проаналізуємо технологічні можливості та особливості основних спосо­бів підтримки різальних властивостей РПК у процесі обробки.

При керуванні різальною здатністю круга з підведенням технологічного струму в зону різання (див. рис. 1.2, а) джерело технологічного струму позити­вним полюсом підключають до шліфувального круга, а негативним — до оброб­люваної деталі. При цьому зона електроерозійних дій і зона різання об’єднані в часі і просторі. У якості джерела технологічного струму використовуються ге­нератори імпульсів моделі ВГ-ЗВ, ШГІ 40-440, ШГІ 125-100М, ДГТ-35, джере­ла постійного струму.

У міжелектродний проміжок (МЕП) подають слабострумопровідні водяні МОР, збуджуючи між оброблюваною деталлю і струмопровідною зв’язкою еле­ктричні розряди. При алмазно-іскровому шліфуванні, коли використовуються імпульсні високочастотні джерела живлення типу ШП, які генерують уніполя­рні імпульси з амплітудою напруги холостого ходу 200 В, електричні розряди проходять у результаті пробою МЕП або ініціюються стружками, що зрізають­ся [9, 10]. При алмазно-електроерозійному шліфуванні, коли використовуються низьковольтні генератори імпульсів або джерела постійного струму, комуту­вання електричних розрядів відбувається шляхом замикання-розмикання точ­кових контактів, які виникають у результаті появи при різанні алмазними зер-

Рис. 1.2. Способи шліфування з керуванням різальною здатністю круга за допомогою електроерозійних дій а) підведення струму в зону різання; б) підведення струму в автономну зону; в) підведення струму в автономну зону і зону різання; 1 — деталь; 2 — шліфувальний круг; 3 — джерело технологічного струму; 4 — автономний електрод-інструмент; 5,6 — регулювальні опори

нами стружки [11,12], або контактування виступів поверхні зв’язки і деталі [4]. У цьому випадку на зв’язку шліфувального круга діють низьковольтні і низько­частотні контактно-дугові розряди [11].

Спосіб керування різальною здатністю круга з підведенням електричної енергії в зону різання має широку універсальність і може бути реалізований при будь-якій схемі шліфування. Відоме використання алмазно-іскрового і алмазно — елекіроерозійного шліфування при круглому зовнішньому, внутрішньому, пло­скому шліфуванні, заточуванні інструментів, зубохонінгуванні; при цьому об­робка виконується за жорсткою або пружною схемами. Шліфуванню підлягала широка гамма важкооброблюваних матеріалів: штампових сталей (Х12, Х12М, Х12Ф1, Х12Ф4М, Х4Ф4М, ХЗФ8, Х13Ф12), шарикопідшипникової сталі ШХ15, твердих сплавів (Т5К10, Т15К6, ВК8, ВК15), магнітотвердих матеріалів (ЮНДК24Т2, ЮНДК35Т5БА), а також твердосплавних непереточуваних плас­тин із сплавів Т15К6, ТН-20, композицій «ТН-20 — сталь 45», «ТІ 5Кб — сталь 45», двошарових пластин ТОМАЛ.

Алмазно-іскрове і алмазно-електроерозійне шліфування забезпечують підтримку різальних властивостей круга протягом тривалого часу за рахунок достатнього виступання зерен над зв’язкою. Продуктивність АІШ у 2-5 разів (400-3000 мм3/хв) вища в порівнянні зі звичайним шліфуванням [13, 14, 15], причому на оптимальних електричних режимах механічна обробка інтенсифі­кується за рахунок високих різальних властивостей круга, а при інтенсивних електричних режимах — додатково у результаті специфічної для кожного обро­блюваного матеріалу зміни його фізико-механічних властивостей [16]. Таким чином, зростання продуктивності при алмазно-іскровому шліфуванні є наслід­ком, у першу чергу, підвищення різальної здатності круга та зниження витрат енергії на тертя зв’язки об заготовку [17].

Поверхневий шар деталі, отриманий у результаті алмазно-іскрового шлі­фування, характеризується залишковими напруженнями стискання [13, 14, 15, 18].

Однак, спосіб керування різальною здатністю круга з підведенням техно­логічного струму в зону різання, що реалізується при алмазно-іскровому та ал — мазно-електроерозійному шліфуванні, має і низку недоліків:

— підвищену питому витрату алмазів [18,19];

— погіршення якості обробленої поверхні (оплавлення, мікро — і макротрі- щини [18], фазові перетворення [13];

— взаємозв’язок електричних і механічних режимів через ініціювання роз­рядів стружками;

— вплив на протікання електроерозійного процесу жорсткості системи ВИД [20], у результаті чого на поверхні круга з’являються хвилі і смуги заса­лювання [21].

У процесі керування різальною здатністю круга з підведенням технологі­чного струму в автономну зону процес електроерозійних дій на зв’язку круга і процес різання об’єднані в часі, але розділені в просторі. У цьому випадку по — зитивний полюс джерела технологічного струму підключають до шліфувально­го круга, а негативний — до автономного електрода-інструмента (ЕІ) (див. рис.

1.2, б). При підтискуванні ЕІ до робочої поверхні іфуга з невеликим постійним зусиллям [7], комутування розрядів здійснюється за рахунок переривчастого контактування мікронерівностей поверхонь РПК та ЕІ, а також стружок, які зрі­заються з ЕІ. Така схема, яка відрізняється конструктивною простотою, має і істотні недоліки [22]:

— механічний знос ЕІ;

— низька здатність виправляти похибки форми деталі у результаті копію­вання електродом-інструментом макрогеометрії круга;

— відсутність стабільності електроерозійних дій через вібрацію ЕІ.

Схема керування параметрами РПК, при реалізації якої між автономним

ЕІ і робочою поверхнею круга підтримується деякий заданий проміжок [20], позбавлений перерахованих недоліків. При її реалізації комутацію розрядів за­безпечують стружки, які захоплюються кругом із зони різання і потрапляють у міжелектродний проміжок [22].

Перевагами шліфування струмопровідних матеріалів із підведенням тех­нологічного струму в автономну зону є:

— зниження пульсацій міжелектродного проміжку [23];

— стабільність електроерозійного процесу незалежно від фізико-мехакіч- них властивостей оброблюваного матеріалу, що дозволяє збільшити стійкість круга більше ніж у 10 разів та стабілізувати його різальну здатність [7,20,22].

— зниження питомої витрати алмазів на 30-40%, а собівартості обробки на 20-40%, у порівнянні з тими ж показниками при електроерозійних діях на круг в міжелектродному проміжку, поєднаному з зоною різання [20].

У способі керування різальною здатністю круга, що реалізує одночасне введення технологічного струму в зону різання і в автономну зону [7] (див. рис.

1.2, в), задача електроерозійного очищення робочої поверхні, круга від стружки і розкриття робочих зерен вирішена не тільки шляхом збудження електричних розрядів (тобто пробою середовища з наступним підведенням енергії через ка­нал розряду, що утворився), але і шляхом комутування так званих дуг розми­кання — електричних розрядів, які виникають при розриві (внаслідок механічно­го переміщення або розвитку розряду) мікроконтактів між електродами.

Паралельне підключення автономної зони електроерозійних дій і зони рі­зання до одного джерела та наявність регулювальних електричних опорів до­зволяє конструктивно просто і економно вирішити задачу шліфування з керу­ванням параметрами РПК. Дійсно, якщо при збільшенні подач омічний опір зо­ни різання безупинно знижується, а величина технологічного струму і, отже, інтенсивність видалення зв’язки автоматично зростають, може відбутися не­припустимий знос круга. Тоді, змінюючи величини опорів, можна знизити ве­личину технологічного струму в зоні різання, одночасно збільшивши, при не­обхідності, інтенсивність електроерозійних дій в автономній зоні. Спосіб шлі­фування з підведенням технологічної енергії одночасно в зону різання і в авто — номну зону дозволяє використовувати більш прості і потужні джерела живлен­ня, забезпечує зниження витрати алмазів у 1,5-2 рази при продуктивності обро­бки твердого сплаву ВК8 близько 2000 мм3/хв.

Керування різальним рельєфом кругів, яке засноване на використанні електро-физикохімічних дій, може здійснюватися шляхом підведення електри­чної енергії в зону різання, автономну зону або одночасно в зону різання й ав­тономну зону [25]. При цьому можуть використовуватися один або два джерела постійного струму. Щоб здійснити роздільне регулювання величини струму в ланцюгах керування різальним рельєфом і оброблення запропоновані схеми, подані на рис. 1.3, а, б, в [24,25].

У схемі, яка використовує джерело живлення перемінного струму (рис.

1.3, а), імпульси прямої полярності використовуються для цілей керування й обробки, а імпульси струму зворотної полярності — тільки для обробки. Утво­рення двох електричних ланцюгів, що працюють паралельно, дозволяє здійсни­ти додаткове регулювання струму в ланцюзі обробки за рахунок зміни його ак­тивного опору [25].

Незалежне регулювання в ланцюгах можна здійснити, використовуючи імпульси прямої полярності тільки для ланцюга керування різальним рельєфом, а зворотної полярності — тільки для ланцюга обробки (рис. 1.3, б). У цьому ви­падку, як і в попередньому, використовується джерело перемінного струму. Ре­гулювання струму в ланцюзі керування здійснюють зміною міжелектродного проміжку, а в ланцюзі обробки — зміною його активного опору. Можливе пара­лельне вмикання ланцюгів обробки та керування (рис. 1.3, в), коли постійний струм від одного джерела в ланцюзі керування і ланцюзі обробки регулюється так само, як описано вище [25].

Розглянуті схеми керування різальним рельєфом використовуються при обробці надтвердих полікристалічних матеріалів (АСПК, АСБ, ДІАМЕТ, ДАП, Ельбор-Р, Гексаніт-Р, ДПНБ, композит-05) [24]; при цьому в основу керування різальними властивостями РПК покладений принцип рівності інтенсивностей примусового видалення зв’язки і розмірного зносу алмазних зерен, у результаті чого в процесі шліфування підтримується відповідна висота виступання зерен над зв’язкою.

Шліфування з керуванням різальною здатністю робочої поверхні круга за допомогою електро-фізикохімічних дій знайшло широке розповсюдження при обробці метало — і мінералокераміки (ВК-15, ВОК 60), жароміцної сталі ХН70ВМТЮ та інших матеріалів.

Схема керування рельєфом круга за допомогою вільного абразиву приве­дена на рис. 1.4 [8].

Рис. 1.3. Схеми шліфування з керуванням різальним рельєфом кругів за допомогою електро-фізикохімічних дай [25]: а — підведення технологічного струму в автономну зону; б, в — підведення технологічного струму в зону різання та в автономну зону; 1 — катод; 2 — оброблюваний зразок; 3 — алмазний круг; 4 — струмознімач

Рис. 1.4. Схема керування параметрами робочої поверхні круга за допомогою вільного абразиву 1 — притир; 2 — оброблюваний зразок; 3 — шліфувальний круг

Керуючі періодичні дії на робочу поверхню круга здійснюються в авто­номній зоні шляхом подавання через отвір у пригарі в проміжок між робочими поверхнями шліфувального круга та притира суспензії, яка містить вільний аб­разив. При алмазному шліфуванні різальних пластин із мінералокераміки ВОК 71, ВО 13, «Силініт-Р» за рахунок керування параметрами РПК шляхом дії ві­льним абразивом у порівнянні із правкою круга шліфуванням були досягнуті наступні результати [27]:

— зниження витрати алмазів інструмента на зв’язках В2-01 і В1-01 у 2,7

разу;

— підвищення виходу придатного продукту на 5,3 %;

— збільшення періоду роботи верстата МШ 289 без підналагодження оде­ржуваного розміру в 2,5 разу.