Определение работоспособности алмазных кругов с целью оптимизации их состава

УДК 621. 922 В.К. Коротовских

Курганский государственный университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АЛМАЗНЫХ КРУГОВ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ СОСТАВА

Аннотация

Приведен обзор существующих методов определения работоспособности алмазных кругов. Показана эффективность способа летучего шлифования, позволяющего существенно снизить трудоемкость и материалоемкость испытаний по оптимизации состава алмазных кругов.

Ключевые слова: алмазный круг, метод, работоспособность, оптимизация, испытание.

V.K. Korotovskikh

DETERMINATION OF DIAMOND WHEELS WORKING EFFICIENCY IN ORDER TO OPTIMIZE THEIR COMPOSITION

Annotation

A review of existing methods for determination diamond wheels working efficiency is given. The efficiency of the flying disc grinding method following substantially reduce the working and material capacity testing to optimize the diamond wheels composition is shown.

Keywords: diamond wheel, method, working efficiency, optimization, testing.

Повысить эффективность обработки шлифованием позволяет оптимизация состава кругов за счет подбора наиболее оптимальных параметров структуры круга (размерных и объемных соотношений режущих зерен, связки и пор), наполнителей связки и т.п. В идеале для каждой операции должен быть подобран «свой» оптимальный круг. Оптимизация может быть осуществлена с помощью определения различных характеристик работоспособности кругов: прочности удержания режущих зерен алмазов, появления микротрещин на шлифуемой поверхности, ее шероховатости, усилий резания, напряженного состояния системы «зерно-связка» и т.д. В отечественной и зарубежной практике более половины выпуска шлифовального инструмента составляют круги на органических связках. Для них главным показателем работоспособности является удельный расход алмазов. Кроме того, часто используются величины потребляемой мощности и шероховатости обработанной поверхности.

Методы определения работоспособности алмазных кругов можно разделить на прямые и косвенные. При прямых испытываются непосредственно круги по ГОСТ 16181-82Е, т.е. оптимизация по тем или иным показателям работоспособности производится при испытании самих кругов. Недостатком таких методов является то, что при этом существенно усложняется процесс оптимизации состава кругов. Разнообразие наполнителей, их содержания и величины требует большого числа экспериментов и, как следствие, приводит к значительному расходу алмазов, испытываемого материала, затратам времени. При исследовании состава кругов в наиболее полном объеме и определении степени влияния каждого из его компонентов на рассматриваемые свойства рекомендуются методы

математического планирования эксперимента. Однако даже при использовании наиболее рационального в данном случае симплекс-решетчатого метода [1] не удается существенно сократить материалоемкость и трудоемкость испытаний. Например, для того, чтобы определить коэффициенты математической модели трехкомпонентной системы в виде полинома второй степени, следует получить значение изучаемого параметра в шести экспериментальных точках и еще, как минимум в двух - для проверки адекватности модели. Поэтомудля реализации симплекс-решетчатого метода планирования необходимо изготовить и испытать как минимум 24 алмазных круга (по три круга на каждую точку для обеспечения статистической надежности данных). Кроме того, для проверки работоспособности алмазных кругов по ГОСТ 16181-82Е требуется со-шлифовать значительное количество испытываемого материала. Например, для аттестации одного круга 12А2-20° 150х 10 при торцевом шлифовании нужно снять не менее 30 г твердого сплава.

Учитывая все возрастающие потребности промышленности в алмазном шлифовальном инструменте, появились новые косвенные разработки экспресс-методов оценки его работоспособности.

Согласно ГОСТ 16181-82Е круги должны испытывать-ся по жесткой схеме шлифования, при которой их режущая способность количественно не оценивается. Условия же работы круга, когда производительность обработки обусловлена его режущими свойствами, обеспечиваются только при шлифовании с постоянным удельным давлением, т.е. по упругой схеме. Для испытаний алмазных кругов с постоянным удельным давлением и предельной подачей в Харьковском политехническом институте создана специальная установка, закрепляемая на столе заточного станка [2]. Вращающееся твердосплавное кольцо устанавливается на подвижной каретке, которая, перемещаясь на шариковых опорах качения с помощью груза, обеспечивает постоянство усилия прижима. Плоскость торца кольца наклонена относительно рабочей поверхности алмазного круга на 1° с целью получения контакта на одном участке круга (рис.1).

Рис. 1. Испытание алмазных кругов по упругой схеме шлифования

Предлагаемые испытания предназначены только для определения режущей способности инструментов, отличаются значительной трудоемкостью, высокой стоимостью и требуют большого станочного парка.

Известны ускоренные методы шлифования [3], позволяющие количественно оценить основные критерии работоспособности алмазных кругов. Разработка этих методов велась по двум направлениям. Первое заключалось

в том, что работоспособность определялась по жесткой и упругой схемам шлифования за счет износа небольшой (до 30 мм2) площади рабочей поверхности алмазоносного слоя кругов 12А2 на органических связках.

Способ определения износостойкости алмазных кругов по жесткой схеме заключается в следующем. На шпиндель плоскошлифовального станка типа 3701 устанавливается твердосплавный диск диаметром 150 мм, толщиной 3 мм, а на столе станка в специальном приспособлении жестко закрепляется алмазный круг При вращении диска и возвратно-поступательном движении круга осуществляется обработка по обратной схеме шлифования методом врезания. Относительная скорость резания остается такой же, как и рекомендуемая при эксплуатации указанных кругов. За 10 мин испытаний рабочий слой кругов на связке В2-01 изнашивается на глубину 100 мкм, на связке В1-10 - на глубину 25 мкм.

Для кругов, работающих по упругой схеме шлифования, предложен метод с наложением ультразвука на образец (рис. 2).

Етс,

мг/г 1.0

0,8

0,6

0,4

8

16

Е4

32 £мк,МГ/Г

Рис. 2. Испытание алмазных кругов с наложением ультразвука на испытуемый образец

Алмазному кругу создают нагружение с удельной нагрузкой Р = 10-40 МПа, рекомендуемой для кругов на органических связках. Испытуемому твердосплавному образцу 1, закрепляемому в волноводе 2, через магнитострик-тор 4, с помощью генератора 3 сообщают ультразвуковые колебания. В результате контакта с кругом образец шлифуется при скорости резания Vp = 4fA/1000 м/с, где f - частота, Гц; А - амплитуда колебаний, мм; соответственно. При времени испытаний, равном 5-10 мин, на рабочей поверхности круга образуется паз глубиной 30-50 мкм.

По упругой схеме шлифования определяется работоспособность (удельный расход алмазов) кругов на установках типа НИА-С55 [4]. Обработка производится при одновременном вращении круга и головки, в которой закреплены 10 твердосплавных пластин сечением 10 х 4 мм. Здесь в контакте с кругом постоянно находятся полторы-две пластинки.

Целью работы по второму направлению явилась замена дорогостоящих твердосплавных пластин Т15К6 формы 0227А на минералокерамику ЦМ-332 аналогичной формы. При этом качество инструмента оценивается при износе рабочего слоя круга на глубину от 50 до 500 мкм. С применением корреляционного анализа установлена зависимость между удельным расходом алмаза при шлифовании твердого сплава gTC и минералокерамики gMK (рис. 3), которая выражается формулой:

« = 0,18 + а022^.

Рис. 3. Зависимость между удельными расходами алмаза при шлифовании твердого сплава Т15К6 и минералокерамики ЦМ-332

Все указанные методы позволяют оценить только влияние того или иного наполнителя на расход алмазных режущих зерен путем сопоставления разных составов. Они не могут быть рекомендованы для проведения испытаний по определению работоспособности кругов при их оптимизации, т.к. не учитывают реальных условий шлифования и не позволяют существенно снизить затраты материалов и времени проведения эксперимента.

Снизить трудоемкость и материалоемкость испытаний по определению работоспособности кругов и за счет этого повысить эффективность оптимизации их состава позволяет схема летучего шлифования [5]. При этом обработка выполняется не целым кругом, а только частью его рабочего слоя в виде образца цилиндрической формы. Экспериментальные образцы спекаются в специальной пресс-форме по технологии, применяемой при изготовлении рабочих слоев алмазного инструмента на органических связках. Диаметр образцов принимается равным ширине рабочего слоя круга. Высота рекомендуется в пределах 1-1,5 величины диаметра, что дает возможность использовать образцы для определения прочности на сжатие.

На рис. 4 (вид сверху) показана схема проведения испытаний. Исследуемый образец 1 с помощью цангового зажима 2 закрепляют в планшайбе 3, установленной на шпинделе станка 4.

Режимы шлифования выбираются таким образом, чтобы величина удельной нагрузки на образец соответствовала нагрузке, приходящейся на единицу площади рабочего слоя круга в реальном процессе.

ПКр

/

/

й§

1 % \_2. Рис. 4. Схема летучего шлифования: 1 - образец; 2 - цанговый зажим; 3 - планшайба; 4 - шпиндель

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 7

123

Корректировка режимов резания осуществляется за счет уменьшения продольной подачи:

£ _ ^пр.кр.^обр

где 8пробр. продольная подача образца по схеме

летучего шлифования; 8пркр - продольная подача при

шлифовании кругом; ¿обр- диаметр образца; лОсркр-диаметр средней линии рабочего слоя круга.

Предлагаемая экспресс-методика [6] позволяет при установлении определенного соотношения междуданными круга и образца перейти при оптимизационных испытаниях на образцах к показателям работоспособности кругов. Подобное соотношение было найдено для четырех точек плана при оптимизации по удельному расходу алмаза состава связки из магния, монокорунда и полых сферических частиц.

Данный метод эффективен при оптимизации состава кругов. Это объясняется снижением материалоемкости и трудоемкости определения работоспособности образцов по схеме летучего шлифования. Так, для круга 150х 10 х 3 100%-й концентрации с объемом рабочего слоя 13,2 см3, требуется 55 карат алмазного порошка, а образца с объемом в 1 см3 всего 1 карат. В 10-12 раз уменьшается расход твердого сплава, снимаемого в процессе испытаний: для аттестации одного круга необходимо со-шлифовать как минимум 30 граммов, а образца -2,5-3 грамма твердого сплава. Кроме того, в 2-3 раза уменьшается время на подготовку и проведение испытаний за счет сокращения количества необходимых измерений. При этом для обеспечения требуемой точности величины расхода алмазов линейный износ круга измеряют в 4-х фиксированных сечениях по диаметру и в трех точках каждого сечения по ширине рабочего слоя с точностью до 0,001 мм, а износ образца производился за один прием микрометром с ценой деления 0,01 мм.

С помощью метода летучего шлифования были оптимизированы по удельному расходу алмазов составы кругов, которые показали их эффективность при заточке металлорежущего инструмента [7].

Список литературы

1. Зедгенидзе И. Г. Планирование эксперимента для исследования

многокомпонентных систем. - М.: Наука, 1976. - 390 с.

2. Семко М.Ф., Узунян М.Д., Сизый ЮЛ. и др. Работоспособность

алмазных кругов. - Киев: Техника, 1983. - 95 с.

3. Синьковский П.К., Колчеманов М.А. Современные шлифовальные

алмазные инструменты и методы контроля их качества. -Обзор. - М.: НИИмаш, 1975. - 52 с.

4. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. - М.: Машинострое-

ние, 1974. - 320 с.

5. Кумар К., Козминко М., Танака И. и др. Новый метод изучения

свойств шлифовальных кругов/ //Конструирование и технология машиностроения: Труды американского общества инженеров-механиков. - М.: Мир, 1980. - Т. 102. - №1,- С.184- 189.

6. Коротовских В.К, Кудряшов Б.П., Курдюков В.И. и др. Методика

оптимизации состава связок алмазного инструмента // Резание и инструмент, 1992. - Вып. 45. - С. 52-57.

7. Курдюков В.И., Коротовских В.К. Повышение производительности

шлифования алмазными кругами на органической связке // СТИН. -1999. - №12. - С. 23-25.