Краткий обзор существующих исследований
При использовании пластин из твердого сплава и минералокерамики главным препятствием является высокая твердость и хрупкость. Несмотря на применение при финишной механической обработке большого числа таких высокоточных методов обработки как ультразвуковая, лазерная и др., наиболее используемым и производительным в настоящее время является алмазное шлифование. Процессы, происходящие при разрушении припуска при алмазном шлифовании, в дальнейшем оказывают влияние на эксплуатационные характеристики пластин[3].
Развитие современного мирового машиностроения связано с расширением объемов и номенклатуры труднообрабатываемых материалов (высокотвердых легированных, жаропрочных сталей, чугунов и других сплавов), при резании которых в зоне контакта с инструментом возникают высокие температуры (свыше 800 С). Это привело к росту объема мирового потребления режущей керамики от 2 % в 70-х годов 1 до 5 % к 90-м годам (с предполагаемой тенденцией роста количества РК в развитых индустриальных странах до 12% в 2000 г.) 2 от общего объема инструментальных материалов. Согласно установившейся тенденции нынешнее мировое потребление РК находится в пределах 7 — 8 %, а в развитых индустриальных странах достигает 10 — 12%.
Значительное превосходство твердых сплавов (их режущих свойств) над другими инструментальными материалами обусловило появление и широкое развитие скоростного резания металлов, а также возможность механической обработки.
Высокие режущие свойства твердых сплавов обусловливаются тем, что они состоят в основном из карбидов тугоплавких металлов, характеризующихся высокими твердостью, износостойкостью и температурой плавления. В твердых сплавах применяется сравнительно небольшое число металлов. В промышленных марках советских твердых сплавов находят применение лишь три металла: вольфрам, титан и кобальт. Высокие твердость и температура плавления карбидов тугоплавких металлов четко выявляются при сопоставлении их с карбидом железа — цементитом (Fe3C).
Дальнейшее совершенствование керамических режущих материалов требует применения новых подходов к технологии их изготовления. Кардинальными решениями данной задачи на сегодня являются два основных направления: 1 — существенное повышение эксплуатационных свойств режущей керамики, которое позволило бы в несколько раз увеличить производительность инструмента; 2 — разработка ресурсосберегающих технологий, позволяющих уменьшить энергозатраты на изготовление режущей керамики и учесть экологические аспекты развития порошковой металлургии.[2]
Целью магистерской работы является исследование процесса алмазно-абразивной обработки при обработке хрупких материалов
Задачи исследований следующие:
— проектирование и модернизация конструкции плоскошлифовального станка, за счет новых конструктивных признаков;
— обеспечение универсальности приспособлений и максимальной производительности;
— проведение расчета и исследование приспособлений для обработки керамики;
— Разработать технологический процесс обработки твердого сплава и минералокерамики;
— Обеспечить минимальную дефектность твердого сплава и минералокерамики;
В процессе шлифования (рис. 3) в качестве режущего инструмента используют абразивные круги. Шлифовальный круг состоит из большого количества острых и твердых абразивных зерен, связанных между собой специальной массой — связкой. Шлифовальный круг можно рассматривать как фрезу с большим количеством мелких зубьев.На рис 2. представлен алмазно-абразивный шлифовальный круг. Действительно, в процессе шлифования каждое зерно, находящееся на периферии круга, работает как зуб фрезы, снимая стружки переменного сечения. Особенностями шлифовального круга по сравнению с другими режущими инструментами являются, с одной стороны, очень высокая твердость зубьев (зерен), а с другой — способность кругов к самозатачиванию, которое происходит благодаря тому, что затупившиеся зерна на поверхности круга выкрашиваются, а в работу вступают новые острые зерна. Благодаря высокой твердости абразивных зерен шлифованием можно обрабатывать металлы любой твердости, включая твердые сплавы и неметаллические материалы, такие, как стекло, мрамор, камень. Возможность работы при шлифовании с малыми глубинами порядка 1 — 2 мкм и, соответственно, с малыми усилиями резания позволяет этим методом легко достигать точности 6-го квалитета. Шлифование обеспечивает шероховатость обработанной поверхности 7 — 10-го классов. на рис 2 представлена зернистость заточного круга.[1]
В соответствии с этими особенностями процесс шлифования применяется для окончательной обработки высокоточных деталей, обработки деталей, к которым предъявляются высокие требования в отношении качества поверхности, обработки деталей после закалки, а в некоторых случаях и для черновых операций при работе по твердой корке. На шлифовальных станках могут быть обработаны все виды наружных и внутренних поверхностей — цилиндрические, конические, торцовые, фасонные и винтовые.
Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием. Сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет до 30%, причем этим инструментом снимается до 65% стружки, так как скорость резания, применяемая при обработке этим инструментом в 2 — 5 раз выше, чем у быстрорежущего инструмента.
Для чистовой обработки рекомендуются сплавы с более низким содержанием кобальта и большим содержанием карбидов. Для черновой – наоборот. На Рис 4. представлено влияние кобальта на свойства твердого сплава группы (ВК) [4]
Основной особенность режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500 — 600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 900 — 1000 м/мин.На рис.5 представлена зависимостисоставляющей силы резания РZ от степени износа hз инструмента
Форма пластин показана на рис. 5
По этому признаку пластины разбиваются на четыре группы:
I. Равносторонние и равноугольные (правильный многоугольник и круг) — H, О, Р, R, S, Т.
II. Равносторонние и неравноугольные (ромб, неправильный шестиугольник) — С, D E, М, V, W.
III. Неравносторонние и равноугольные (прямоугольные) — L.
IV. Неравносторонние и неравноугольные (параллелограмм) — A, В, K, F.
ГОСТ 19042-80 предусматривает четыре типа исполнения режущей кромки:острые кромки (r = 0,02 мм); округленные кромки; кромки с фаской; кромки с фаской и округленные.
Пластины различаются также по длине режущей кромки, толщине пластины, величине радиуса при вершине.
Для того чтобы деталь приобрела необходимые размеры и конфигурацию, как того требует заказчик, а также товарный вид, качество и шероховатость поверхностей необходимо использовать металлорежущие оборудование.
Для выполнения механической обработки, на участке применяются три станка: два токарно-карусельных и один шлифовальный.
На токарно-карусельных станках выполняют такие работы: обтачивают наружные цилиндрические, конические и фасонные поверхности, подрезают торцы деталей, растачивают внутренние цилиндрические поверхности, ведут обработку отверстия сверлами, развертками.
На шлифовальных станках обрабатывают детали с помощью абразивных инструментов.
Пластины, имеющие коробление, шлифуют на плоскошлифовальных станках алмазными шлифовальными кругами или подвергают электрохимической обработке. Закрытые пазы изготовляют с учетом обеспечения плотной посадки пластинок. Зазор между плоскостями паза и пластинки допускается в пределах 0,05 — 0,15 мм.
К абразивному инструменту относятся шлифовальные круги, бруски, хонинговальные головки, наждачные полотна, применяемые для шлифования, полирования, доводки деталей, а также для заточки инструмента. Алмазный инструмент составляют круги, резцы, фрезы с алмазными пластинами[5].
Многогранные неперетачиваемые пластины изготовляют нормальной точности и прецизионные. Биение главных режущих кромок у фрез с шестью — , пятью - и четырехгранными пластинками на двух смежных зубьях должно быть не более 0,12 мм, а на всей фрезе - не более 0,2 мм, торцовое биение допускается не более 0,2 мм. Предельное отклонение положения зачистных фасок относительно боковых поверхностей пластин повышенной точности ±0,01 и прецизионных пластин ±0,003 мм. Многогранные пластинки по биению главных режущих кромок сортируют по группам.
По плоскостям пластинки подвергают доводке или шлифованию. Доводку выполняют на дисковом доводочном полуавтомате ЗБ816И круглыми чугунными притирами с абразивной или алмазной суспензией. Более производительна обработка пластинок шлифованием. Широко применяют при шлифовании твердосплавных пластин станок 33731 с прямоугольным столом и вертикальным шпинделем, работающий по принципу электрохимического шлифования.
Для алмазного шлифования твердосплавных многогранных неперетачиваемых пластин выпускают специальные автоматизированные станки. Плоскошлифовальный полуавтомат МШ — 259 служит для шлифования опорных торцов пластин.
Алмаз используется в абразивных инструментах, применяемых для шлифования разнообразных материалов.
В профилировании алмазных кругов имеются некоторые особенности. Для профилирования алмазных кругов применяют: метод абразивного шлифования, электроискровую обработку, гальванопластику с ориентированием алмазных зерен, шаржирование с одновременным формированием профиля алмазоносного слоя на органической связке и образование профиля круга путем пластического деформирования алмазоносного слоя на металлической связке фасонным накатным роликом. Накатывание роликом обеспечивает точность профиля 0,005 — 0,01 мм при минимальном радиусе закругления 0,03 — 0,04 мм, высокую производительность при правке (время накатывания нового профиля 10 — 30 мин) и значительное снижение расхода алмазов.
Зернистость и структуру круга выбирают в зависимости от требований к шероховатости поверхности инструмента и размерной стойкости круга. Для обдирочного затачивания и шлифования применяют крупнозернистые круги с открытой структурой. Для окончательного затачивания и шлифования применяют мелкозернистые круги.
При работе торцом шлифовального круга его связка и отдельные зерна работают на сжатие и выдерживают нагрузку в 6 — 8 раз большую, чем нагрузка на разрыв. При работе периферией плоского круга или конической частью чашечного круга его связка и отдельные зерна работают на изгиб и отрыв, что обеспечивает лучшую самозатачиваемость круга. Работа периферией и конической частью чашечного круга уменьшает также площадь и время контакта между шлифовальным кругом и обрабатываемой поверхностью, что снижает теплообразование. Уменьшение площади контакта при затачивании торцом круга обеспечивается его поднутрением под углом 10 — 15° или заправкой его по радиусу. Для работы периферией круга с повышенными подачами рекомендуется затачивать инструмент в приспособлениях на кругло - или плоско-шлифовальных станках[1].
Технологический процесс производства металлокерамических (порошковых) твердых сплавов и минералокерамики состоит из ряда следующих операций:
Технологический процесс производства металлокерамических (порошковых) твердых сплавов и минералокерамики состоит из ряда следующих операций:
1. Сначала получают грубый порошок вольфрама путем восстановления вольфрамового ангидрида W03 в потоке водорода при 700 — 900° С или сажей при 1500° С. Полученный грубый порошок вольфрама измельчают в течение примерно 9 ч на шаровой мельнице и просеивают.
2. Порошок вольфрама перемешивают с ламповой сажей .и карбонизируют в бумажных или угольных патронах в течение 1 ч в электропечи при 1400° С в атмосфере водорода или окиси углерода. Полученный порошок карбида вольфрама размалывают и просеивают, как и порошок вольфрама.
Для титановольфрамового сплава карбонизации можно подвергнуть шихту из ТiO2+ С + W и получить сразу оба карбида.
3. Полученные порошки карбидов и кобальта перемешивают в течение 24 ч и дольше в шаровой мельнице; затем их замешивают с клеем и подсушивают. В качестве клея применяют или раствор синтетического каучука в бензине или раствор парафина в четыреххлористом углероде.
4. Хорошо замешанная и подсушенная смесь подвергается прессованию при давлении примерно 10—40 кГ/мм2 (98—392 Мн/м2), причем титановольфрамовые смеси требуют большего давления прессования, чем вольфрамовые.
5. Далее производят предварительное спекание смеси при 900° С в течение примерно 1 ч в атмосфере водорода для создания прочности, необходимой при механической обработке. Предварительное спекание применяется не всегда.
6. После предварительного спекания полученный сплав разрезают и механически обрабатывают на обычных металлорежущих , станках — фрезерных, строгальных, токарных и др.
7. Окончательное спекание, в процессе которого образуется твердый сплав, проводят в атмосфере водорода или в засыпке из порошка магнезита или окиси алюминия — для вольфрамовых сплавов в течение 2 ч примерно при 1400° С, а для титановольфрамовых в течение 1—3 ч при 1500° С. Качество спекания зависит от чистоты карбида титана: чем меньше в нем азота и кислорода, тем лучше идет спекание.
Производство твердых сплавов требует особой чистоты, тщательного лабораторного контроля, соблюдения технологической дисциплины и всех тонкостей процесса. Качество и режущие свойства порошковых твердых сплавов и минералокерамики зависят от технологии их производства не менее чем от их состава.
У хрупких материалов, прочность сильно зависит от состояния поверхности, особенно от наличия на ней микротрещин. Микротрещины могут быть следствием дефектов формования, обжига, механической обработки.
ТП механической обработки изделий включают операции шлифования, на которых происходит их формообразование, и финишные операции в виде чистового шлифования, доводки, притирки или полирования, обеспечивающие требуемый уровень шероховатости и минимальную дефектность поверхностного слоя детали.
Шлифование, выполняемое после закалки и отпуска, улучшает свойства поверхностного слоя (удаляется обезуглероженный слой, уменьшается шероховатость поверхности, повышается прочность и стойкость инструмента). Однако значительное тепловое воздействие на поверхностный слой, возникающее при - шлифовании, при некоторых условиях (зависящих от характеристики обрабатываемого материала инструмента, шлифовального круга, режимов шлифования, СОЖ и др.) может привести к ухудшению его свойств.
Рассмотрим на примере[2]:
Пятигранная пластинка (твердый сплав Т15К6, Т5К10, ВК8)
1. Сортировать по высоте и граням.
2,3. Шлифовальная. Шлифовать по ленточке; шлифовать по базовой плоскости. База — противоположная плоскость. Станок электрохимический ЗЭ731 или плоскошлифовальный МШ280.
Шлифование производят алмазным кругом.
4. Профильно-шлифовальная. Шлифовать грани и вершины. База — опорный торец и отверстие. Копировально-шлифовальный полуавтомат МШ — 289.
Алмазный чашечный круг.
Применение смазочно-охлаждающих технологических сред снижает трение и температуру в зоне контакта шлифовального круга с обрабатывали деталью, улучшает отвод тепла и удаление отходов шлифовании из зоны резания, в результате чего уменьшается затупление, засаливание и износ шлифовального круга, повышается производительность и качество обработки.
Таким образом, характеристики инструмента оказывают существенное влияние на выходные показатели процесса шлифования: производительность, удельный расход материала и шероховатость обработанной поверхности. Наиболее существенное влияние оказывают связка инструмента и зернистостьа также габариты шлифовального круга. [1]
Анализируя выше представленных вариантов можно сделать выводы о том что эффективнее будет использовать алмазно-абразивное шлифование.
Пути решения проблемы повышения эффективности обработки:
— выбор оптимальной толщины среза
— выбор оптимальных режимов резания таких как скорость резания ,подача, мощность станка
— оптимальный выбор шлифовального круга, а именно зернистость, твердость и связка круга
— оптимальный выбор габаритов шлифовального круга
В результате чего также снижается доля хрупкого разрушения.
Производственный процесс изготовления пластин из твердых сплавов и минералокерамики должен быть построен на достижении постепенного уменьшения дефектов обработки с целью обеспечения их прочности и надежности при эксплуатации Выбор инструмента, схемы и режимов обработки определяется структурой и свойствами материалов заготовки.[5]
Механическая обработка не должна приводить к превышению размеров и плотности дефектов выше определенно допустимого значения с учетом их распределения и ориентации в поверхностном слое. Интенсификация режима шлифования, прежде всего за счет увеличения подачи, вызывает увеличение сил резания, приводит к развитию дефектности поверхностного слоя изделий и, как следствие, к снижению их прочностных характеристик. Изменяя параметры режима можно управлять дефектностью обработанной поверхности пластин из твердых сплавов и минералокерамики, обеспечивая заданную прочность изделий. Дефектность, возникающая при обработке, не должна превышать уровень структурной дефектности. В этом случае прочность пластин из твердых сплавов и минералокерамики не снижается[6].
Применение твердосплавных пластин и минералокерамики обеспечивает:
— повышение стойкости на 20-25%;
— возможность повышения режимов резания за счет простоты восстановления режущих свойств пластин путем их поворота;
— уменьшение расхода абразивов.