ЭЛЬБОРОВЫЙ ШЛИФОВАЛЬНЫЙ КРУГ

Полезная модель относится к производству инструмента из сверхтвердых абразивных материалов. Эльборовые шлифовальные круги используются для чистового высокопроизводительного шлифования плоских, цилиндрических и фасонных поверхностей ответственных деталей из труднообрабатываемых материалов (закаленных конструкционных и инструментальных сталей, жаропрочных никелевых сплавов и т.д.).
В настоящее время в производстве зубчатых колес широкое распространение получил способ обработки зубьев профильным шлифованием [Патент RU 2199420].
Одним из направлений повышения эффективности профильного зубошлифования является применение кругов из кубического нитрида бора (эльбора). При этом используются либо круги из эльбора на гальванической связке, которые не подлежат правке или правящийся инструмент на керамической связке.
Недостатком зубошлифования кругами на гальванической связке является то, что для каждого зубчатого колеса требуется изготавливать индивидуальный шлифовальный круг.
Повысить гибкость процесса профильного шлифования зубчатых колес возможно с помощью правящихся эльборовых кругов на керамической связке. Наиболее подходящим и широко используемым для профильного зубошлифования эльборовым кругом является круг типа 1А1 [ГОСТ Ρ 53923 - 2010] с наружным диаметром в диапазоне от 200 до 350 мм и эльборовым слоем толщиной 10…20 мм, размещенным на корпусе. Таким инструментом можно вести обработку зубчатых колес с модулем зуба до 7 мм.
Недостатком такой конструкции эльборового круга на керамической связке является то, что в процессе эксплуатации его рабочий слой изнашивается. При достижении толщины слоя меньше, чем высота зуба (2,25 величины модуля зуба) шлифовальный круг становится не пригодным для обработки данного зубчатого колеса, но при этом некоторый дорогостоящий эльборовый слой остается на круге. В большинстве случаев толщина остаточного эльборосодержащего слоя является существенной. Например, при обработке зубчатых колес с модулем 1…5 мм толщина остаточного составляет не менее 2,25…11,25 мм.
С учетом того, что стоимость эльбора до 5000 раз превосходит стоимость, например, абразивного зерна электрокорунда белого, использование эльборовых кругов на керамической связке для профильного шлифования зубчатых колес в большинстве случаев становится экономически нецелесообразным.
В ряде случаев более экономичной альтернативой дорогостоящему эльбору служит микрокристаллический корунд. По своим физико-механическим свойствам зерно микрокристаллического корунда находится между электрокорундом белым и эльбором. Благодаря своему микрокристаллическому строению зерно при большей, до 3-х раз, чем у электрокорунда прочности обеспечивает работу шлифовального круга в режиме умеренного самозатачивания с постоянным обновлением режущих кромок [Старков В.К. Шлифование высокопористыми кругами. - М: Машиностроение. 2007].
В промышленной практике изготовления шлифовальных кругов известны варианты, когда форма инструмента конструктивно оформляется в виде комбинации абразивных масс различного состава.
Например, для повышения разрывной прочности шлифовального круга прямого профиля на керамической связке и, соответственно, его рабочей скорости применяется конструкция инструмента, состоящая из двух частей. Рабочая наружная часть шлифовального круга изготавливается из абразивной массы заданной характеристики по материалу зерна, его размерам, твердости и структуре. Внутренняя его часть вместе с посадочным отверстием инструмента изготавливается в виде упрочняющего кольца из более плотной мелкозернистой абразивной массы.
Известен шлифовальный круг, содержащий корпус и рабочий слой из эльбора на керамической связке, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вспомогательный слой, выполненный из абразивного матерала на основе микрокристаллического корунда на керамической связке, расположенный между рабочем слоем и корпусом, толщиной, составляющей 0,1…1,0 от толщины рабочего слоя [Патент RU 137225 U1, опубл. 10.02.2014].
Известная конструкция позволяет максимально эффективно использовать эльборовый круг при плоском, круглом наружном или внутреннем шлифовании поверхностей деталей до полного износа дорогостоящего эльборосодержащего рабочего слоя.
Недостатком прототипа с точки зрения использования его для профильного шлифования зубчатого колеса является то, что конструкция не отвечает критериям выбора абразивного инструмента по минимальной толщине буферного слоя с учетом параметров обрабатываемого зубчатого колеса.
При выборе толщины вспомогательного буферного слоя также, как и при выборе толщины рабочего слоя круга для профильного зубошлифования необходимо учитывать высоту зуба обрабатываемого колеса. В противном случае при недостаточной толщине буферного слоя не будет возможности использовать эльборосодержащий слой на всю его толщину до полного износа.
Задачей предлагаемой полезной модели эльборового круга для профильного шлифования зубчатого колеса является возможность использования всей толщины рабочего слоя из эльбора.
Технический результат - повышение ресурса работы инструмента по количеству обработанных деталей.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается за счет того, что в эльборовом шлифовальном круге, предназначенном для профильного шлифования зубчатого колеса и состоящем из жесткого корпуса с рабочим слоем из эльбора на керамической связке и расположенного между рабочим слоем и корпусом буферным слоем, изготовленным на основе зерна микрокристаллического корунда на керамической связке с зернистостью, твердостью и структурой, аналогичной рабочему слою, буферный слой выполнен толщиной, равной 2,25…2,5 величины модуля (m) обрабатываемого зубчатого колеса.
Полезная модель поясняется графическим материалом, где на Фиг. схематично изображен продольный разрез эльборового шлифовального круга типа 1А1.
Согласно полезной модели эльборовый шлифовальный круг (Фиг.) содержит корпус (1), рабочий слой из эльбора (2) и буферный слой (3) из микрокристаллического корунда. Рабочий слой (2) и корпус (1) эльборового шлифовального круга выполнены аналогично прототипу. Буферный слой (3), изготовленный на основе зерна микрокристаллического корунда на керамической связке с зернистостью, твердостью и структурой, аналогичной рабочему слою, выполнен толщиной, равной 2,25…2,5 величины модуля (т) обрабатываемого зубчатого колеса.
Работу эльборового шлифовального круга по заявленной полезной модели можно описать следующим образом.
На первом этапе шлифование зубчатого колеса выполняется рабочим слоем (2) из эльбора. В ходе работы за счет периодических правок, необходимых для восстановления режущих свойств и геометрической точности профиля, толщина эльборового рабочего слоя (2) уменьшается.
При достижении толщины эльборового рабочего слоя (2) круга величины меньше, чем высота зуба наступает второй этап, на котором в работу вступает буферный слой (3) из микрокристаллического корунда, который обладает достаточно высокими режущими свойствами и позволяет продолжить процесс шлифования без ущерба качеству и существенного снижения производительности обработки.
Третий этап, при котором шлифовальный круг подлежит замене, наступает в момент полного износа эльборового слоя (2).
Эффективность использования предлагаемой конструкции эльборового шлифовального круга в сравнении с известной конструкцией была проверена экспериментально при профильном шлифовании цилиндрических зубчатых колес с модулем m=4 мм, числом зубьев z=21 и шириной венца b=30 мм из стали марки 16ХЗНВФМБ-Ш с цементированной и закаленной до 60HRC поверхностью.
Обработка зубчатых колес велась по встречной схеме шлифования с постоянной скоростью круга, равной 30 м/с.Профилирование круга на заданный модуль зуба и его периодическая правка осуществлялась алмазным роликом.
Для испытаний были изготовлены два эльборовых шлифовальных круга конического профиля с наружным диаметром 350 мм, высотой 25 мм и с посадочным отверстием, равным 127 мм. Оба круга содержали на корпусе эльборовый слой толщиной 25 мм с одинаковой характеристикой В151 I 12 V и буферный слой из микрокристаллического корунда. Конструкции кругов отличались тем, что один из них был изготовлен по прототипу и имел буферный слой, равный 0,1 толщины эльборового слоя (2,5 мм), а другой был изготовлен по заявленной модели с буферным слоем толщиной, равной 2,5 величины модуля зубчатого колеса (10 мм).
3
При шлифовании эльборовым кругом, изготовленным по прототипу, за время обработки одного зубчатого колеса выполнялось по три цикла правки рабочего слоя с радиальной подачей ролика на врезание, равной 0,01 мм. При этом удаляемый за цикл правки объем эльборового слоя составлял порядка 0,08 см. Таким образом, при шлифовании зубчатых колес эльборовым кругом с исходной толщиной рабочего эльборового слоя 25 мм, изготовленным по прототипу, возможное число правок составило 1650 циклов, что позволило обработать 550 шт. зубчатых колес.
При шлифовании эльборовым кругом, изготовленным по заявленной полезной модели, за первый этап его работы было обработано такое же количество зубчатых колес, что и кругом, изготовленным, по прототипу. На втором этапе, с учетом толщины буферного слоя, равной 10 мм и более частых правок этого слоя по сравнению с эльборовым слоем, дополнительно было обработано еще 130 шт. зубчатых колес до полной замены шлифовального круга.
В ходе испытаний было установлено, что при рациональном подборе характеристики буферного слоя по зернистости, твердости и структуре, переход от одного абразивного материала к другому не отражается на качестве обработанного зубчатого колеса.
Таким образом, заявленная полезная модель по сравнению с прототипом позволяет увеличить ресурс работы эльборового шлифовального круга для профильного шлифования зубчатого колеса более, чем на 23% за счет появившейся возможности полного использования рабочего эльборового слоя.
Заявленный в формуле полезной модели интервал толщины буферного слоя является необходимым и достаточным для достижения в совокупности с существенными признаками формулы поставленного технического результата, что подтверждается результатами экспериментальных исследований. При этом минимальная толщина буферного слоя, равная 2,25m, обусловлена необходимостью того, чтобы в результате полного износа рабочего слоя остаточный буферный слой был бы равен высоте зуба. Максимальная граница, равная 2,5m, учитывает некоторый запас толщины буферного слоя на возможные колебания высоты зуба в пределах допуска, но ограничена технико-экономическими показателями. Выбор большей толщины, чем 2,5m приводит к существенному возрастанию затрат на изготовление инструмента, в то время, как на техническом результате это никак не отражается.
Таким образом можно сделать вывод о том, что поставленная задача - возможность использования всей толщины рабочего слоя из эльбора - решена, и заявленный технический результат - повышение ресурса работы инструмента по количеству обработанных деталей - достигнут.