Актуальність теми. У сучасному інструментальному виробництві застосування надтвердих абразивних матеріалів (НТМ) — синтетичних алмазів (СА) і кубічного нітриду бора (КНБ) розглядається як пріоритетний напрямок збільшення продуктивності і підвищення надійності різальних інструментів. З найбільшою ефективністю інструменти із НТМ застосовуються в технологічних процесах алмазно-абразивної обробки, для яких важлива їхня гарантована стійкість, високі ріжучі властивості і продуктивність. Але, необхідна в сучасних умовах ефективність обробки вольфрамових, безвольфрамових і мало-вольфрамових сплавів і сталей, і негру ментальних сталей і керамік практично не забезпечується при глибинах шліфування 0,5-1,0 мм і більше. Це відповідає продуктивності шліфування не більше 1000-3000 мм3/хв., у той час як верстатні системи і промислові технології механообробки обумовлюють необхідність підвищення продуктивності до 3000-5000 мм3/хв. і в недалекому майбутньому до 10000 мм3/хв. В зв'язку із цим інтенсифікація процесів шліфування на основі розвитку технологічних систем і розробки нового покоління шліфувальних кругів із НТМ відноситься до ключових задач машинобудування.
В Україні в області обробки інструментальних матеріалів кругами з НТМ застосовуються різні технологічні процеси шліфування і заточення .твердосплавних і сталевих інструментів, що використовуються в метало та деревообробці і інших напрямах механообробки. Внаслідок широких досліджень Харківської, Київської, Одеської, Запорізької та ін. наукових шкіл запропоновані та встановлені критерії технологічного керування параметрами якості оброблених поверхонь і вибору оптимальних умов роботи інструментів з НТМ. Одним з найбільш ефективних процесів обробки г алмазне шліфування з застосуванням мастильно-охолоджувальних рідин (МОР) чи періодичним введенням у зону різання електричного струму низької напруги для виправлення кругів з НТМ. Прогнозна оцінка сучасного рівня застосування алмазно-абразивних кругів дозволяє обгрунтувати основні показники і напрямки інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами з НТМ. При цьому сучасна концепція інтенсифікації обробки матеріалів визначає застосування методів вібраційного і хвильового впливу, сполучення механічного впливу з хімічними, електричними й іншими процесами обробки, тобто, інтенсивне використання процесів фізико-механічної обробки.
Аналіз досліджень в області вібраційного різання свідчить про перспективність і актуальність розробок у цьому напрямку. Виходячи з того, що процес шліфування є, у певній мірі, вібраційним, висунута гіпотеза про можливість реалізації процесу вібраційно-прецесійного шліфування за допомогою використання механічної енергії шліфувального круга, що обертається, і прецесійного ефекту шліфувальної системи. Задача нашого дослідження полягала у розрахунковому пі експериментальному аналізі кінематики процесу алмазно-абразивної обробки матеріалів з метою визначення основних параметрів процесу шліфування, виходячи з вперше нами встановленого і дослідженого вібраційно-прецесійного руху шліфувального круга в процесі шліфування, то дозволяє забезпечити продуктивність шліфування інструментальних матеріалів 5000-10000 мм3хв. шляхом узгодженої взаємодії функціональних елементів технологічної шліфувальної системи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до річних планів науково-дослідних робіт Інституту надтвердих матеріалів ім. В.Н. Бакуля НАН України, що включали теми № 1040 РН 16.01.16(1977 1982 рр.), 1824 РН.82.03.11,. 02.02 (1984 1988 рр.), 1834(1991 1992 рр.), 1840(1992 1994 рр.), Д301 (1996 1998 рр.), 1850 (1993-1995 рр.), 1853 (1996 1998 рр.), 1942 (1988 1990 рр.), 1951 (1999 2001 рр.), 1952 (2000-2002 рр.), 195 І (2001 2004 рр.) із проблем: 1.11.6 «Проблеми технологій машинобудування» і 2.24,2 «Розробка наукових основ створення композиційних матеріалів»; по проекту 05.04/02240 Державної науково-технічної програми «Надтверді і керамічні матеріали» (1997-2000 рр.); контрактам з підприємствами України, Росії, Білорусі, Азербайджану, Латвії й інших країн СНД.
Мета і задачі дослідження. Мста роботи полягає в розвитку наукових основ інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами із синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора на основі експеримептально-аналітичної оптимізації технологічної системи «процес шліфування - шліфувальні круги з НТМ - режими шліфування» для досягнення продуктивності абразивної обробки 5000-10000 мм3/хв. за рахунок-спрямованого використання вібраційно-прецесійного ефекту в процесі обробки шліфувальними кругами з функціонально-орієнтованим робочим шаром з НТМ.
Задачі дослідження:
• провести аналіз технологічних умов інтенсифікації процесів шліфування, встановити закономірності зміни показників працездатності шліфувальних кругів з функціонально-орієнтованим робочим шаром з НТМ в залежності під конструктивних та режимних параметрів, оцінити вплив МОР і провести оптимізацію їх вибору, дослідити питання якості алмазного шліфування твердих сплавів в широкому діапазоні факторів впливу;
• розробити теоретичні основи процессу вібраційно-прецесійного шліфування кругами з НТМ у діапазоні низько частотніх коливань, провести аналітичне дослідження точності обертання шпипдельних вузлів технологічних шліфувальних систем, вивчити особливості кінематики та провести імітаційне моделювання данного процесу шліфування, обгрунтувати вибір кінематичної моделі та встановити можливості застосування адаптивної системи керування процесом вібраційно-прецесійного шліфування;
• дослідити й оптимізувати характеристики кругів для вібраційно-прецесійного шліфування, розробити нові конструкції кругів з алмазо та кубонітовмішуючих металополімерних і металокерамічних композитів, створити комп’ютерну базу даних про сучасні шліфувальні крути з НТМ;
• розробити технології високопродуктивного алмазного шліфування різальних інструментів з твердих сплавів, інструментальних сталей і керамік: твердосплавних різців загального призначення; ножівкових полотен з інструментальних сталей; дискових дереворіжучих пил-з пластинками твердого сплаву; фасонних інструментів; виробів типу «куля» з інструментальної кераміки;
• визначити техніко-скономічні показники нових процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами з НТМ, провести комп'ютерно-інформаційну оцінку рівня технологій шліфування;
• розробити технічні рішення по спеціалізованому устаткуванню і технологічним пристроям для високопродуктивних процесів шліфування.
Об'єкт дослідження — інструменти і процеси шліфування інструментальних матеріалів: твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю, інструментальних сталей і керамік кругами з синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора.
Предмет дослідження — встановлення закономірностей процесу шліфування і кінематичних методів керування системою «процес шліфування - шліфувальні круги з НТМ — режими шліфування», що забезпечують використання вібраційно-прецесінного ефекту з метою інтенсифікації і підвищення якості обробки інструментальних матеріалів кругами з синтетичних алмазів та КНБ.
Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення й опису досліджуваного об'єкта. її складові: розробка концептуальної моделі інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів, показників працездатності шліфувальних кругів з НТМ, кінематики процесу вібраційно-прецесійного шліфування, закономірностей багатопрохідного і глибинного шліфування твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю, кінематичних моделей ріжучих поверхонь шліфувальних кругів. Реалізовувалося теоретичне положення про те, що технологічна шліфувальна система є сукупність нелінійних підсистем обумовлених інтегральними і локальними функціональними зв'язками, ієрархія яких включає верстатну систему, систему шпиндельного вузла і систему абразивного різання, у тому числі, шліфувальні круги з НТМ.
Розроблений та використаний інформаційно-вимірювальний комплекс «Шліфування — НТМ», що дозволяє виконувати аналіз змін показників працездатності кру¬гів і якості шліфування інструментальних матеріалів у діапазоні низькочастотних коливань, а також експрес-методика вивчення кінематики обертання шпиндельного вузла. Створена система імітаційного моделювання процесу торцевого шліфування. Застосовувся розробленний у ІНМ НАНУ аналітичний комплекс для діагностики складу та структури алмазо- і кубонітовміщуючих композитів (рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз); аналізу зображень оброблених поверхонь (оптична і растрова мікроскопія поверхні); вивчення масо переносу інструментальних матеріалів на ріжучу поверхню кругів (елементний аналіз); дослідження ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з НТМ (анізотропія й орієнтація мікрорельєфу абразивовміщуючої поверхні). Виконувалася оцінка похибок вимірювання досліджуваних показників.
Теоретичні положення моделі інтенсифікації процесів шліфування сформульовані на основі кінематики абразивної обробки інструментами з ІІТМ, яка визначає створення спрямованих ефектів вібрації і прецесії в зоні обробки, аналітично встановлені основні положення вібраційного різання з урахуванням точності обертання шпиндельного вузла технологічної системи. Це дозволило розробити і застосувати новий процес вібропрецесійного шліфування без додаткового застосування зовнішніх джерел коливань. Як наслідок, це забезпечило значне підвищення продуктивності шліфування і зниження його ефективної потужності.
В інформаційно-аналітичному дослідженні застосовували Інтернет-систему як джерело інформації. Використовували методику математичного планування багатофакторних експериментів. Статистичні методи застосовувалися для оптимізаціїдосліджуваних параметрів і обробки результатів експериментів. Використовувалися програми комп'ютерної оцінки точності вимірювальних пристроїв. Були одержані рівняння регресії. Складено комп'ютерну базу даних про шліфувальні круги із НТМ і технологіям обробки з їхнім застосуванням.
Наукова новизна одержаних результатів:
• вперше розроблена концептуальна модель інтенсифікації процесів шліфування на основі кінематики абразивної обробки інструментами з НТМ, яка визначає створення спрямованих ефектів вібрації і прецесії в зоні обробки, що дозволяє за рахунок спрямованого поєднання параметрів технологічної системи забезпечити суттєве зростання продуктивності шліфування до 5000-10000 мм3/хв.;
• вивчено динамічні процеси, характерні для технологічної шліфувальної-системи, що дозволило на основі відомих теоретичних положені, вібраційного різання і урахування точності обертання шпиндельного вузла технологічної системи розробити і застосувати новий процес шліфування, при якому вібропрецесійний рух шліфувального круга в напрямку подовжньої і поперечної подач збільшує продуктивність абразивної обробки;
• аналіз кінематики функціональної системи шпиндельного вузла в тривимірному просторі дозволив визначній його кінематичні характеристики як багатолапкового механізму, для якого аксоїд інтегрального обертання є конічною поверхнею, і як наслідок, обгрунтувати основні закономірності зміни параметрів вібропрсцесійного шліфування, що визначають збільшення працездатності кругів з НТМ у діапазоні низькочастотних коливань;
• запропонована і обгрунтована імітаційна модель процесу вібропрецесійного шліфування і показано, що кінематичні поверхні різання утворюються внаслідок інтегрального руху, утому числі під впливом сили різання, а виявлені закономірності свідчать про створення квазірегулярних мікрорельєфів різних видів, що описуються Фур'е-функціями і визначаються показниками орієнтації, анізотропії і шорсткості поверхонь;
• встановлено закономірності процесів багатопрохідного і глибинного алмазного шліфування твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю і визначені умови оптимізації параметрів процесів, при яких їхня оброблюваність обумовлена не тільки характеристиками інструментальних композитів з ІІТМ, але і характеристиками технологічної шліфувальної системи, і внаслідок цього досягається підвищення продуктивності і зниження потужності вібропрецесійного шліфування, що визначається забезпеченням кінематичних умов оптимальності числа алмазних зерен на одиниці ріжучої поверхні шліфувального круга;
• запропоновані і обгрунтовані кінематичні моделі ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з ІІТМ, які функціонально визначаються шириною робочого шару, режимами шліфування і характеристиками технологічної системи, що характеризує кінетику даного процесу та забезпечує формування поверхневого шару робочих поверхонь і мікрогеометрії ріжучої кромки твердосплавних інструментів при глибинах шліфування порядку 0,5-1 мм і більше.
Практичне значення одержаних результатів:
розроблено технології високопродуктивного шліфування різальних інструментів з твердих сплавів, інструментальних сталей і керамік кругами із синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора, що реалізовані в умовах виробництва й експлуатації різців і фрез, утому числі фасонних різців і профільних фрез; свердел, у тому числі мілкорозмірпіїх і для глибокого свердління; дискових ножів і дереворіжучпх пил; плоских ножів; ножівкових полотен; штампів, у тому числі великогабаритних; ріжучих змінних багатогранних пластин; складнопрофільннх і інших прецизійних виробів, у тому числі типу «куля»;
• розроблена низка нових шліфувальних кругів з функціонально-орієнтованим робочим шаром зі спеціальних алмазо- і кубонітовміщуючих інструментальних композитів, для виробництва яких застосовується система автоматизованого проектування САПР АІНТМ;
• розроблені нові ефективні технологічні пристрої для глибинного, вібраційнопрецесійного і багатопрохідиого шліфування, подачі МОР, обробки різальних інструментів, а також спеціалізоване автоматизоване устаткування (верстат-автомат мод. МЗ-54 і ін.);
• розроблено комп'ютерну базу даних вітчизняних та закордонних шліфувальних кругів з НТМ, а також комп'ютерно-інформаційну систему оцінки рівня технологій шліфування кругами з НТМ;
• запропоновано нові технічні рішення (захищені авторськими свідоцтвами і патенти) по автоматизованому устаткуванню і технологічним шліфувальним системам для високопродуктивних процесів шліфування кругами з НТМ, у тому числі вперше створені пристрої для вібраційно-прецесійного шліфування з адаптивною системою керування;
• розроблені і видані рекомендації, прайс-каталоги і слайд-фільми. Автор брав участь у розробці двох державних стандартів України: ДСТУ 2486-94 "Алмази та інструменти алмазні. Терміни та визначення" і ДСТУ 3292-96 "Порошки алмазні синтетичні. Загальні технічні умови";
• одержані наукові і практичні результати реалізовані в період з 1980 по 2001 рр. на підприємствах України, Росії, Беларусі, Латвії, Азербайджану із збільшенням продуктивності обробки в 2-3 і більше раз, підвищенням стійкості інструментів в 1,3-2,5 рази, зниженням витрат кругів з ІІТМ у 1,5-2 рази, підвищенням надійності та довговічності різальних інструментів.
Особистий внесок здобувача.
У дисертаційній роботі приведені результати досліджень, виконаних під науковим керівництвом і при особистій участі ав¬тора в період з 1976 по 2001 рр.
Безпосередньо автором викопані:
• дослідження працездатності кругів з НТМ при шліфуванні твердих сплавів методами багатопрохідного, глибинного і вібраційно-прецесійного шліфування;
• аналіз розрахунковими та експериментальними методами кінематики процесів вібраційно-прецесійного шліфування;
• розроблені моделі формоутворення ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з НТМ;
• імітаційне моделювання за оригінальною методикою процесів шліфування з метою вивчення ефектів вібрації і прецесії технологічної шліфувальної системи;
• міцності ріжучої кромки інструментів методом мікросколюваиня.
Безпосередньо з особистим вкладом і під науковим керівництвом автора проведені дослідження: якості шліфування інструментальних матеріалів; зносостійкості та продуктивності шліфувальних кругів і ефективної потужності шліфування; діагностики алмазо- і кубонітовміщуючих композитів; масопереносу інструментальних матеріалів на ріжучу поверхню шліфувальних кругів з НТМ; анізотропії й орієнтації ріжучих поверхонь шліфувальних кругів з НТМ; аналізу зображень шорсткості поверхонь.