СПОСОБ АЛМАЗНО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ШЛИФОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С НИЗКОЙ ТВЕРДОСТЬЮ
METHOD FOR DIAMOND-ELECTROCHEMICAL GRINDING OF METALS AND ALLOYS WITH LOW HARDNESS

Изобретение относится к комбинированным методам обработки металлов и сплавов, сочетающим электроэрозионное, электрохимическое и механическое воздействие на обрабатываемую поверхность в частности, к электроабразивному шлифованию поверхностей деталей абразивным (алмазным) токопроводящим инструментом и может быть использовано, в частности, при обработке деталей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания.
В процессе абразивной обработки деталей на шлифовальных станках происходит так называемое засаливание круга (ГОСТ 21445-84. Материалы и инструменты абразивные. - М.: Изд-во стандартов, 1993. - С. 9), проявляющееся, в частности, в уменьшении режущей способности круга и последующем ухудшении характеристик обрабатываемых поверхностей. При обработке металлов и сплавов, имеющих низкую твердость, шлифовальными кругами с мелким зерном, что типично, например, для производства корпусов топливных форсунок дизельных двигателей, проблема их засаливания проявляется особенно остро. Восстановление режущей способности и геометрической формы шлифовального круга происходит при так называемой правке - удалении с рабочей поверхности круга его части (абразивонесущего слоя) [Лоскутов В.В. Шлифование металлов. - М: Машиностроение, 1985. - 256 с. С. 31-32].
Известен процесс обработки торцов корпусов форсунок, предусматривающий последовательно выполняемые операции шлифования и притирки [Затин И.М. Разработка и обоснование технологии восстановления уплотнительных торцов корпусов форсунок дизельных ДВС: дис. … канд. техн. наук: 05.20.03. - Оренбург, 2017. - 180 с.]. К недостаткам известного способа относится наличие в технологическом процессе оборудования двух типов - плоскошлифовальных и притирочных станков, а также увеличенная трудоемкость обработки деталей. Кроме того, к недостаткам известного решения относится необходимость периодической правки круга плоскошлифовального станка, то есть наличия специальных приспособлений и инструмента для правки, а также времени, не используемого для обработки деталей. В связи с тем, что при правке шлифовального круга снимается слой абразива и связки, происходит уменьшение диаметра круга, то есть, фактически, происходит его повышенный износ.
Известен способ электроабразивной обработки токопроводящим кругом, осуществляющий последовательное чередование двухстадийных циклов, включающих обработку детали шлифованием и правку круга [пат.RU 2489236, опубл. 10.08.2013. Бюл. №22]. За счет подачи в зону обработки технологического тока обратной полярности происходит растворение металлических частиц, скопившихся между режущими зернами шлифовального круга и восстановление его работоспособности. Диаметр круга при этом практически не изменяется. К недостаткам известного решения относится необходимость наличия в цикле обработке периода, во время которого не происходит изменения формы и размеров деталей.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков - прототипом заявляемого изобретения - является способ электроабразивного шлифования внутренних поверхностей сложной формы [пат. RU 2602590, опубл. 20.11.2016. Бюл. №32]. Процесс шлифования по известному решению включает заполнение электролитом зазора между обрабатываемой поверхностью и шлифовальным кругом, подвод импульсного технологического тока прямой полярности в зону обработки и обработку поверхности детали вращаемым шлифовальным кругом, причем шлифование осуществляют в несколько этапов, различающихся величиной подаваемого напряжения технологического тока и величиной подачи инструмента. Вначале происходит врезание круга на величину припуска, затем - удаление основной части припуска, и в конце - улучшение шероховатости и точности обрабатываемой поверхности. Все этапы реализуются в условиях электроабразивного шлифования, при этом не предусматривается правка круга во время шлифования.
В процессе осуществления способа по известному решению производят измерения крутящего момента на шпинделе станка и контроль второй производной по времени от остаточного напряжения технологического тока в зоне обработки, причем в случае ненулевого значения второй производной уменьшают скорость врезания шлифовального круга. Кроме того, известное решение предусматривает запоминание значения крутящего момента на шпинделе шлифовального станка.
К недостаткам известного решения относится сложность алгоритма управления процессом обработки и необходимость периодического прерывания процесса обработки для измерения второй производной по времени от остаточного напряжения технологического тока.
К общим недостаткам известных решений относится зависимость величины шероховатости, которую возможно получить при обработке, от зернистости шлифовального круга, так как во всех решениях обработка рассматривается только в период между правками.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение недостатков прототипа - повышение эффективности процесса шлифования за счет упрощения алгоритма процесса и использования эффекта засаливания для улучшения характеристик поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Поставленная задача решается за счет применения предлагаемых технологических параметров операции, в том числе характеристик шлифовального круга (величины абразивных зерен и их концентрации).
Новизной в предлагаемом способе алмазно-электрохимического шлифования металлов и сплавов с низкой твердостью является применение на одной операции пяти видов обработки поверхности и использование эффекта засаливания слоя на рабочей поверхности шлифовального круга для достижения заданных требований к обрабатанной поверхности.
Указанные признаки являются новыми, существенными, неочевидными и промышленно выполнимыми и направлены на решение поставленной изобретением технической задачи.
Предлагаемый в качестве изобретения способ алмазно-электрохимического шлифования металлов и сплавов с низкой твердостью включает заполнение электролитом зазора между обрабатываемой поверхностью и шлифовальным кругом, подвод технологического тока прямой полярности в зону обработки и обработку поверхности детали вращаемым шлифовальным кругом. Шлифование осуществляют в несколько этапов, различающиеся величиной подаваемого напряжения технологического тока и величиной подачи инструмента. Предпочтительным является использование алмазного шлифовального круга, имеющего зернистость 50/40 (ГОСТ 9206-80. Порошки алмазные. - М: Изд-во стандартов, 1989).
На первом этапе в зону обработки подается технологический ток напряжением, выше напряжения транспассивации обрабатываемого материала. Засаленные участки, имеющиеся на рабочей поверхности шлифовального круга, оставшиеся от обработки предыдущей детали, уменьшают зазор между связкой круга и обрабатываемой поверхности. При подаче повышенного напряжения технологического тока происходит первоочередное электроэрозионное "выгорание" засаленного слоя при одновременной электроэрозионной обработке поверхности. По мере уменьшения толщины засаленного слоя на инструменте, сопровождающееся увеличением зазора между связкой и обрабатываемой поверхностью, процесс электроэрозии постепенно переходит в процесс электрохимической обработки. С выгоранием засаленных участков, расположенных между зернами шлифовального круга, происходит восстановление его режущей способности и начинается абразивная обработка поверхности уже в условиях электрохимического воздействия. Скорость подачи шлифовального круга по нормали к обрабатываемой поверхности устанавливают 0,02-0,10 мм/мин. Первый этап характеризуется очищением шлифовального круга от засаленных участков, накопленных после предыдущих операций, и образованием стружки. Он совмещает три типа обработки: электроэрозионную, электрохимическую, абразивную и различное их сочетание. На первом этапе с обрабатываемой поверхности удаляют около (80-95)% припуска, предусмотренного для операции. После завершения первого этапа отключают напряжение технологического тока.
На втором этапе, в условиях отсутствия технологического тока, увеличивают скорость поперечного движения подачи шлифовального круга, создавая условия для накапливания стружки в межзеренных пространствах. В начале второго этапа сохраняется стружкообразование при увеличенной толщине срезаемого слоя приходящейся на одно абразивное зерно, который заканчивается переполнением (засаливанием) межзеренного пространства стружкой.
Из-за засаливания шлифовального круга, обработка резанием переходит в поверхностную пластическую обработку: стружка, накопленная между абразивными зернами шлифовального круга, обладая повышенными прочностными свойствами, выступает в роли жестких инденторов, способных осуществлять пластическое деформирование обрабатываемой поверхности детали. Скопившаяся в межзеренном пространстве стружка, обладающая повышенными механическими свойствами, в силу специфичных условий ее образования, существующих в зоне стружкообразования (высокие температуры, давление и ювенильно чистые поверхности стружки и контактной поверхности инструмента) прочно присоединяется (прилипает) (приваривается) к связке, образуя новые контактные поверхности на инструменте. Новые контактные поверхности обладают повышенными отрицательными передними углами, а главное - большими радиусами округления режущих кромок, которые значительно больше толщин срезаемого слоя. В условиях, когда толщина срезаемого слоя меньше или равна радиусам округления режущих кромок (Худобин Л.В. Минимизация засаливания шлифовальных кругов. - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2007. - 298 с.), исключается образование стружки и процесс резания заменяется контактными процессами трения и пластической деформации. Действие, которое совершают образованные участки скопившейся и заторможенной между абразивными зернами стружки, играющие роль жестких инденторов, сопровождается увеличением упругого оттеснения рабочей поверхности инструмента от обрабатываемой детали. Это обстоятельство дополнительно уменьшает толщину удаляемого слоя и увеличивает влияние процессов трения и пластического деформирования. В этих условиях участки засалинного слоя, выполняющие функции жестких инденторов, производят улучшение микрогеометрии (шероховатость) и качества обработанной поверхности.
Второй этап совмещает два вида обработки поверхности: абразивную режущими зернами шлифовального круга и отделочную жесткими инденторами, сформированными между абразивными зернами. Происходит улучшение шероховатости обрабатываемой поверхности. [Пшибыльский В.М. Технология поверхностной пластической обработки. - М.: Металлургия, 1991. 479 с.]. Скорость движения поперечной подачи шлифовального круга устанавливают большей (0,4-0,6) мм/мин. На втором этапе происходит получение заданного размера обрабатываемой поверхности за счет удаления части оставшегося припуска режущими зернами и перераспределение его оставшейся части в пределах допуска на размер готовой детали, благодаря пластическому деформированию микронеровностей обрабатываемой поверхности.
На первом и втором этапах обработки шлифовальный круг имеет движение поперечной подачи в соответствии с величиной снимаемого припуска.
В зависимости от требований, предъявляемых к форме и качеству обрабатываемой поверхности, возможно включение в операцию шлифовки по предлагаемому способу третьего этапа.
На третьем этапе не подводят технологический ток в зону обработки. Шлифовальный круг не имеет поперечного движения подачи. При снижении усилия прижатия шлифовального круга к детали и продолжающемся его вращении происходит дополнительное выглаживание микронеровностей обрабатываемой поверхности, сопровождающееся дополнительным улучшением шероховатости обработанной поверхности.
Осуществление предлагаемого способа алмазно-электрохимического шлифования металлов и сплавов с низкой твердостью не требует наличия в системе управления станком цепей контроля крутящего момента на шпинделе и второй производной по времени от остаточного напряжения технологического тока в зоне обработки, системы изменения частоты вращения круга, а также устройства для запоминания значений крутящего момента.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение высоты микронеровностей, улучшение качества обрабатываемых поверхностей и упрощение алгоритма процесса обработки.
Пример осуществления способа.
Выполняли алмазно-электрохимическое шлифование корпусов форсунок, имевших твердость 26 HRC, материал 42CrMo4.
Использовали алмазный круг с зернистостью 50/40 и связкой М2-01.
Обработку выполняли в три этапа. Режимные параметры этапов составили:
- 1 этап: продолжительность 120 сек.; скорость подачи 0,05 мм/мин;
- 2 этап: продолжительность 1,5 сек.; скорость подачи 0,5 мм/мин;
- 3 этап: продолжительность 15 сек.; скорость подачи 0 мм/мин.
Напряжение технологического тока на первом этапе составляло 7 В.
Средняя по партии шероховатость обработанного торца составила Ra0,034 мкм при требовании в конструкторской документации Ra0,08 мкм.
Предлагаемый в качестве изобретения способ алмазно-электрохимического шлифования металлов и сплавов с низкой твердостью внедрен и применяется в серийном производстве для обработки корпусов форсунок дизельных двигателей на Алтайском заводе прецизионных изделий.