Повышение качественных характеристик поверхности при профильном алмазном шлифовании

УДК 621.923

В. З. Зверовщиков, А. В. Соколов

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОФИЛЬНОМ АЛМАЗНОМ ШЛИФОВАНИИ

Аннотация. Предложен новый способ повышения размерной стойкости профильных алмазных шлифовальных кругов на металлических связках и разработана эффективная технология врезного шлифования деталей алмазными кругами с электроэрозионной стабилизацией рельефа рабочей поверхности инструмента. Определены параметры электрических импульсов, повышающие эффективность электроэрозионного шлифования.

Ключевые слова: электрическая эрозия, профиль, алмазный шлифовальный круг, шлифование, энергия импульса, электрический разряд.

Abstract. The authors suggest a new method of improving the dimensional stability of shaped diamond grinding wheels on metal bundles and an effective technology of plunge grinding of parts by diamond wheels with electroerosive stabilization of the tool working surface relief. The article determines the electric impulses’ parametres, which increase efficiency of electroerosive grinding.

Key words: electric erosion, a profile, diamond grinding wheel, grinding, pulse energy, electric discharge.

Введение

Возрастающие требования к долговечности и износостойкости деталей делают актуальной задачу формирования наиболее нагруженных поверхностных слоев с заданными эксплуатационными характеристиками при финишной обработке. Проблемный характер носит обработка сложных по форме поверхностей деталей из твердых сплавов и неметаллических материалов (керамики, ферритов) профильными алмазными кругами.

Обработка сложнопрофильными алмазными инструментами обеспечивает многократное повышение производительности по сравнению с традиционным шлифованием деталей на копировально- или оптикошлифовальных станках. Высокая стойкость инструмента обеспечивает стабильность размеров и геометрической формы для большой партии обрабатываемых деталей.

Однако использование фасонных кругов для профильного шлифования связано со значительными трудностями, возникающими при профилировании стандартных алмазных кругов, так как сложно обеспечить точностные параметры круга при электроэрозионном воздействии на алмазоносный слой. Для изготовления прецизионных деталей машиностроения и фасонных режущих инструментов, например резцов, точность не может стабильно обеспечиваться электроэрозионным профилированием.

Кроме того, при шлифовании фасонных поверхностей деталей происходит неравномерный износ шлифовального круга на различных участках профиля вследствие неодинаковых силовых и тепловых нагрузок. Поэтому для достижения высоких точностных параметров шлифуемых деталей необходимо стабилизировать форму режущего контура, образованного рабочей поверхностью круга, и создать условия равномерного износа инструмента на различных участках фасонного профиля, чтобы избежать искажения формы обработанных деталей.

1. Новый способ получения профильных алмазных кругов на металлических связках

Для повышения эффективности шлифования сложнопрофильных поверхностей деталей нами предложено формировать профильные шлифовальные круги на металлических связках за две технологические операции [1]. На первой операции осуществляют предварительное электроэрозионное профилирование, а на второй - окончательное формирование профиля круга пластическим деформированием накатным роликом. Электроэрозионное профилирование приводит к снижению внутренних напряжений в металлической связке алмазного круга, однако не позволяет получить высокую точность линейных и угловых размеров профиля. При окончательном формообразовании профиля круга накатным роликом погрешность линейных размеров не превышает 10 мкм вследствие выравнивания режущего контура из алмазных зерен поверхностью накатного ролика и повышения размерной стойкости круга за счет возникновения упрочненного слоя в поверхностных слоях металлической связки.

Чтобы избежать перенаклепа и разрушения металлической связки круга, силу воздействия стального ролика на алмазоносный слой при накатывании рекомендуется ограничивать соотношением

Dкрbq2

P <

(D Л

0,126 E —кр +1

где — кр - наружный диаметр шлифовального круга, мм; Ь - ширина контакта круга с накатным роликом, мм; q - максимальное давление при накатывании, q = (1,8...2,2)ат (от - предел текучести материала связки, МПа); - наружный

диаметр накатного ролика, мм; Е - модуль упругости материала связки, МПа.

Для повышения точности профилирования и уменьшения величины упругого возврата материала связки при накатывании количество циклов деформирования должно быть таким, чтобы приращение пластической деформации после определенного числа циклов прекращалось. Установлено, что количество циклов накатывания следует ограничивать диапазоном от 10 до 15. Дальнейшее увеличение числа циклов может привести к перенаклепу и нарушению целостности алмазоносного слоя вследствие появления трещин и частичного разрушения металлической связки.

Эффективность упрочнения связки при профилировании накатным роликом можно повысить за счет использования жировых смазок и добавления в них поверхностно-активных веществ. В результате снижается коэффициент трения между контактирующими поверхностями ролика и алмазоносного слоя шлифовального круга, а также проявляется эффект адсорбционного пластифицирования материала связки, что позволяет понизить его прочностные характеристики и облегчить деформацию при накатывании роликом.

2. Исследование эффективности нового способа повышения размерной стойкости профильных алмазных кругов

Для оценки влияния глубины упрочненного слоя при накатывании на закрепление алмазных зерен в алмазоносном слое круга был использован ме-

тод трехмерного моделирования в программной среде Solidworks. Алмазное зерно аппроксимировалось формой шара и нагружалось силами, которые действуют на зерна круга при шлифовании.

Построение конечно-элементной модели позволило получить картину распределения напряжений в материале связки круга вокруг единичного алмазного зерна при различной глубине упрочнения связки накатыванием стальным роликом алмазоносного слоя.

Программный модуль CosmosWorks позволил провести оценку способности материала связки сопротивляться усталостному разрушению при циклическом изменении силы резания на участках, прилегающих к алмазному зерну.

Результаты моделирования показали, что способность металлической связки алмазного круга удерживать зерна и сопротивляться циклическим нагрузкам при шлифовании возрастает до 30 % после накатывания алмазоносного слоя роликом (рис. 1).

Л/,

циклов

2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 /7^ мкм

Рис. 1. Расчетная зависимость влияния глубины Нн упрочненного слоя на способность связки сопротивляться циклическому нагружению и удерживать алмазные зерна

Значения шероховатости обработанной поверхности при врезном шлифовании образцов из твердого сплава ВК6 кругами после электроэрозионного профилирования и последующего накатывания алмазоносного слоя стальным роликом представлены в табл. 1. Измерение шероховатости проводилось на профилографе-профилометре «Сейтроник ПШ8-4».

Таблица 1

Значения шероховатости обработанной поверхности при шлифовании твердого сплава ВК6 алмазными кругами на связке М1 различной зернистости

Зернистость Шероховатость поверхности Ка, мкм

Шлифование кругом после электроэрозионного профилирования Шлифование накатанным кругом

80/63 0,58 0,47

100/80 0,75 0,63

125/100 0,92 0,75

Исследования показали, что при прочих равных условиях шлифование алмазными кругами, окончательно спрофилированными накатыванием, позволяет получать меньшую шероховатость поверхности. Это обусловлено тем, что формирование шлифованной поверхности происходит вследствие переноса режущего контура, образованного алмазными зернами круга, на поверхность обрабатываемого изделия. Обычно при шлифовании непосредственно в процессе резания участвует лишь 10-12 % зерен, находящихся на поверхности круга, а накатывание профиля круга стальным роликом существенно повышает количество режущих зерен вследствие образования более плотного режущего контура за счет утапливания алмазных зерен в материал связки. Это увеличивает вероятность перекрытия царапин, производимых отдельными зернами, и приводит к уменьшению шероховатости обработанной поверхности.

Таким образом, алмазные инструменты, изготовленные по предложенной технологии, могут быть рекомендованы для использования на операциях чистового шлифования, где основным требованием является обеспечение требуемой шероховатости обработанной поверхности изделий.

3. Стабилизация режущих свойств шлифовального круга путем наложения электрических разрядов

Наряду с неравномерным износом при шлифовании фасонных поверхностей деталей профильными алмазными кругами при определенных условиях происходит «засаливание» рабочей поверхности инструмента [2]. Для поддержания режущей способности инструмента на постоянном уровне необходимо эффективно удалять продукты шлифования с поверхности круга (рис. 2). Это можно достигнуть воздействием электрических разрядов, вследствие которых происходит стабилизация режущих свойств круга за счет дополнительного «обнажения» алмазных зерен и удаления шлама с рабочей поверхности инструмента [3].

Рис. 2. Схема процесса электроэрозионной правки шлифовального круга: 1 - электрод; 2 - жидкостная среда; 3 - алмазное зерно;

4 - алмазоносный слой круга; 5 - стружка; 6 - микродуговой разряд

Высокие режущие свойства алмазного круга, обеспечиваемые при электроэрозионном воздействии, позволяют проводить эффективное шлифование труднообрабатываемых материалов при меньших значениях зернистости круга, чем это рекомендуется при профильном алмазном шлифовании [4], что позволит дополнительно уменьшить шероховатость обработанной поверхности деталей.

Наиболее рациональные условия электроэрозионного шлифования, обеспечивающие непрерывное вскрытие зерен в процессе обработки и стабилизацию режущих свойств алмазного круга, достигаются при условии, что электрические режимы процесса согласованы с конструктивными параметрами круга, характеристикой алмазосодержащего слоя и длиной 1э электрода-инструмента.

В предложенной схеме электроэрозионного шлифования (рис. 3) напряжение и, создаваемое источником постоянного тока 1, подается на круг 2 и электрод-инструмент 3.

Для уменьшения воздействия электрических разрядов на материал связки шлифовального круга величину напряжения и в вольтах следует ограничивать по следующему выражению [5]:

где &с - коэффициент, зависящий от типа связки; Пкр - наружный диаметр шлифовального круга; А - толщина алмазоносного слоя, удаляемого с поверхности круга при однократном воздействии, за один двойной ход стола, А = (4...7) % 2тах (2шах - максимальный размер алмазных зерен); 1э - длина правящего электрода-инструмента; N - количество алмазных зерен, прихо-

1

Рис. 3. Схема алмазного шлифования с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность круга

дящихся на 1 мм2 рабочей поверхности круга; п - коэффициент, определяющий количество зерен, участвующих в резании; в - коэффициент, учитывающий вероятность возникновения электрических разрядов при стружечном замыкании, в = 0,85.0,95; К - концентрация алмазных зерен в алмазоносном слое круга, %.

Профильное врезное шлифование плоских образцов из твердого сплава ВК6 осуществлялось на плоскошлифовальном станке 3Е71В алмазным кругом 1А1 250x20x76x5 АС6 100/80 100 М1. Электроэрозионная правка круга производилась после каждого двойного хода детали со столом станка электродом-инструментом из латуни ЛС59 длиной 1э = 60 мм с использованием источника постоянного тока. Коэффициенты и параметры для расчета напряжения и по эмпирической формуле определялись следующим образом. Значение коэффициента кс, влияющего на величину электрического импульса при эрозионном разрушении металлической связки М1 круга, выбиралось по табл. 2. Для используемого нами алмазного круга кс = 1. Наружный диаметр круга в соответствии с маркировкой составил ^кр = 250 мм. Толщина А алмазоносного слоя, удаляемого с поверхности инструмента за один двойной ход стола, для круга зернистостью 100/80 составила 6 мкм.

Таблица 2

Значения коэффициента кс для различных металлических связок алмазных кругов

Марка связки М1 МЖ МС1, МС3, МС6 МО4 МО16 Ж1

Значения кс 1 1,22 1,23 1,39 1,43 2,38

Количество N алмазных зерен, приходящихся на 1 мм2 рабочей поверхности круга (сечения алмазоносного слоя), для марки АС6 и зернистости 100/80 составило N = 57,8 шт. (табл. 3). Длина 1э правящего электрода принята 1э = 60 мм (для плоскошлифовальных станков 1э = 50.100 мм). Значения безразмерных коэффициентов п и в приняты равными п = 0,12; в = 0,85.

Таблица 3

Среднее число N зерен, приходящихся на 1 см2 сечения алмазоносного слоя, при 100 % концентрации, шт.

Зернистость порошка Марка алмаза

АСД (АС2) АСР (АС4) АСВ (АС6) АСК (АС 15) АСС

630/500 - - - - 203

500/400 - - - 312 304

400/315 - - 486 473 461

315/250 - - 734 715 697

250/200 - 1210 1110 1080 1060

200/160 - 1820 1680 1600 1600

160/125 2920 2730 2540 2490 2420

125/100 4350 4100 3840 3760 3670

100/80 6460 6160 5780 5710 5550

80/63 9580 9240 8750 8650 8400

63/50 14200 13900 13200 13100 12700

50/40 21200 20900 20000 19900 19200

Концентрация K алмазных зерен в алмазоносном слое в соответствии с маркировкой составила K=100 %.

Режимы шлифования: скорость круга уК = 30 м/с; подача на глубину шлифования til = 0,005 мм/ход; скорость возвратно-поступательного движения стола ^пр = б м/мин. Время электроэрозионного воздействия на поверхность круга за один двойной ход детали со столом станка составило t = 0,9 с.

В табл. 4 приведены рекомендуемые значения напряжения для алмазного шлифования кругами разной зернистости на металлической связке M1.

Таблица 4

Рекомендуемые значения напряжения (В) при алмазном электроэрозионном шлифовании

Зернистость алмазов Концентрация алмазов в круге

50 % 100 % 200 %

б3/50 7 б 4

100/80 12 10 7

1б0/125 19 1б 11

250/200 29 25 17

В качестве смазочно-охлаждающих жидкостей при алмазном шлифовании с наложением электрических разрядов рекомендуется использовать жидкости на водной основе, а также смесь раствора кальцинированной соды концентрацией 1...3 % с техническим глицерином. Последние применяются для улучшения отвода тепла из зоны резания и достижения меньшей шероховатости обработанной поверхности (Ra = 0,3.. .0,5 мкм).

Заключение

Предложенный новый способ получения профильных алмазных шлифовальных кругов на металлических связках позволяет существенно снизить износ круга и сделать его более равномерным по профилю. Таким образом, предложенная технология получения профильных кругов за две технологические операции имеет большие потенциальные возможности для повышения размерной стойкости, а следовательно, и точности профильного врезного шлифования инструментами на металлических связках.

При этом достигается дополнительное снижение шероховатости получаемой поверхности за счет частичного устранения разновысотности зерен и выравнивания режущего контура. Установлено, что шероховатость поверхности, обработанной кругом, окончательно спрофилированным накатыванием, практически не отличается от шероховатости, полученной приработанным кругом. Поэтому применение накатанных кругов после электроэрозион-ного профилирования позволяет избежать приработки.

Разработанный способ электроэрозионного шлифования накатанными алмазными кругами позволяет стабилизировать шероховатость поверхности и избежать возникновения прижогов на твердосплавных и микротрещин на ферритовых деталях.

Список литературы

1. Пат. 2364497 Российская Федерация, МПК B24D18/00. Способ изготовления профильных шлифовальных кругов / Соколов А. В. и др. ; заявитель и патентооб-

ладатель Пенз. гос. ун-т. - № 2008116945/02 ; заявл. 28.04.2008 ; опубл. 20.08.2009, Бюл. № 23.

2. Архипов, П. В. О проблеме засаливания при электроалмазном шлифовании / П. В. Архипов, А. С. Янюшкин // Современные проблемы в технологии машиностроения. Материалы Всероссийской научно-практической конференции: сборник трудов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. - С. 42-45.

3. Пахалин, Ю. А. Алмазное контактно-эрозионное шлифование / Ю. А. Паха-лин. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 178 с.

4. Дорофеев, В. Д. Профильное алмазное шлифование неметаллических материалов с электроэрозионной коррекцией круга - Электрофизико-химические и комбинированные методы обработки металлов / В. Д. Дорофеев, С. Ф. Кольчугин, Н. В. Фунтов : материалы конференции. - Пенза : Пенз. дом науч.-технич. пропаганды, 1984.

5. Пат. 2432239 Российская Федерация, МПК В23Н 5/04, В24В 53/00. Способ шлифования сложнопрофильных поверхностей деталей / Соколов В. О. и др.; заявитель и патентообладатель Пенз. гос. ун-т. - № 2010105449/02 ; заявл. 15.02.2010 ; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30.

Зверовщиков Владимир Зиновьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: torp@pnzgu.ru

Соколов Алексей Владимирович

аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: Lexus-sokol@yandex.ru

Zverovshikov Vladimir Zinovyevich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of mechanical engineering technologies,

Penza State University

Sokolov Aleksey Vladimirovich Postgraduate student,

Penza State University

УДК 621.923 Зверовщиков, В. З.

Повышение качественных характеристик поверхности при профильном алмазном шлифовании / В. З. Зверовщиков, А. В. Соколов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 3 (19). - С. 167-174.