| English |ДонНТУ| Портал магистров ДонНТУ|

  В электронную библиотеку 

    http://link.aip.org/link/?JMSEFK/122/32/1

    ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ШЛИФОВАНИЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ АЛМАЗНЫМИ КРУГАМИ ЧАСТЬ 1: ИЗНОС И СТОЙКОСТЬ КРУГА
    T. W. Hwang, C. J. Evans, И E. P. Whitenton, S. Malkin, Distinguished Professor, Fellow of ASME

Сообщается об исследовании высокоскоростного шлифования нитрида кремния с использованием алмазных кругов. Эта статья касается износа круга и стойкости круга, и вторая статья (ASME J. Manuf. Sci.Eng., 122, с. 42-50), имеет дело с топографией круга и шлифовальными механизмами. Было предложено, что шлифование может быть ускорено за счет повышения скорости круга и за счет сокращения недеформированной толщины слоя. Эксперименты по шлифованию были проведены на скоростях круга 85 и 149 м/с с той же самой нормой удаления. Вопреки ожиданиям, более высокая скорость круга не дала никаких улучшений на обрабатываемой поверхностности, шлифовального коэффициента, или стойкости круга. Микроскопические наблюдения поверхности круга показали затупление абразивных зерен изнашиванием, таким образом, вызывая прогрессивное увеличение сил и энергии до конца срока полезного использования круга. Для всех условий шлифования, единственно-оцененная зависимость была обнаружена между износом круга и накопленной скользящей длиной между абразивными зернами и заготовкой. Более длительный срок службы круга и улучшенные эксплуатационные характеристики могут быть получены, когда управляющие параметры выбраны так, чтобы уменьшить продольное скольжение абразива в объеме связки при снятии материала [S10874357 (00) 00301-4].
Введение
Нитрид кремния - передовая структурная керамика с высокой прочностью и стойкостью, как в окружающей среде, так и при повышенных температурах и обладает хорошим износом и коррозионной стойкостью. Высокие свойства нитрида кремния, привели к тому, что он был рассмотрен как замена для металлов для некоторых индустриальных применений, включая толкатели кулачков, гибридные подшипники, уплотнения насосов, и лезвия в высоких температурных постоянных комплектах турбогенератора. Механическая обработка нитрида кремния и других керамических компонентов в форму, которая требуется, вообще требует шлифование алмазными кругами. Широко распространенное использование передовой структурной керамики было отмечено главным образом высокими шлифовальными затратами и возможностью нанесения дефектов заготовке в течение шлифования. Один из подходов к увеличению шлифовальных процессов для передовых структурных материалов состоял в том, чтобы использовать высокие скорости круга [1-5].
Возможные преимущества высоких скоростей круга в шлифовании могут быть оценены, считая максимальную недеформированную толщину осколка hm [1], который является максимальной глубиной резания, взятого в индивидуальной точке резания на поверхности круга. Меньшие значения hm предположительно могли бы дать более длительный срок службы круга, более низкие силы, и лучшую поверхностную целостность. Приближая недеформированное поперечное сечение осколка к треугольному, hm может быть записан для прямой поверхности шлифования как [6]

,

где С – плотность точки активного резания, Θ – полувключенный угол для недеформированного поперечного сечения осколка, Vw – скорость заготовки, Vk – скорость круга, a – глубина резания круга, ds – диаметр круга. Увеличение скорости круга, при сохранении неизменными всех других параметров должно уменьшить строгость процесса резания, понижая значение hm, сохраняя ту же самую норму удаления на ширину устройства, которая является равной изделию Vm и a. Кроме того, тот же hm и более высокий материальный показатель удаления, может быть достигнут при использовании более высоких скоростей круга, если Vw пропорционально увеличена так, чтобы отношение скорости круга к скорости заготовки оставалось неизменным. Несмотря на потенциальные преимущества высоких скоростей круга, есть несколько препятствий к его более широко-распространенному использованию. Первая проблема - безопасность, так как круги должны быть квалифицированы противостоять увеличенным центробежным усилиям, которые являются пропорциональными квадрату скорости круга [1]. Специальные конструкции круга и использование высокопрочных сплавов алюминия или углеродистого волокна армированной пластмассы (УВАП), как материалы активной зоны возвели в степень безопасные эксплуатационные скорости до 500 м/с [7,8]. Для высокой скорости шлифования керамических материалов, остеклованные и нанесенные гальваническим способом алмазные круги, были применены в лаборатории на скоростях приблизительно до 180 м/с [2,3]. Другие важные вопросы включает балансирование круга, потребность оказывать давление при подаче СОЖ, и способности круга/шпинделя/ системы двигателя работать на высоких скоростях без чрезмерных колебаний [9]. Когда шлифуются хрупкие материалы кругом на высоких скоростях, любая небольшая вибрация может повредить заготовку и вызвать снижение производственной мощности.
Одна из самых важных причин для того, чтобы увеличивать скорости круга состоит в том, чтобы уменьшить стоимость круга. Стоимость круга - особенно важный фактор при шлифовании алмазными кругами, таким образом, любое сокращение потребления круга обычно отражается в более низких шлифовальных расходах. Относительное изнашивание круга при шлифовании обычно выражается в терминах шлифовального коэффициента (G коэффициент), который определяется как объемный коэффициент удаляемого материала (Vw ) в изнашивании круга (Vs ):

G=Vw/Vs. (2)

При этом исследовании, увеличение скорости круга с 30 до 160 м/с для шлифования нитрида кремния с твердостью шлифовальных зерен 170 остеклованным алмазным кругом, как сообщили, резко увеличился G-коэффициент с 900 до 5100 [2]. Для шлифования нитрида кремния с твердостью шлифовальных зерен 120 остеклованным алмазным кругом, сообщалось о не таком значительном увеличение G-коэффициента с 375 до 500 для увеличения скорости круга приблизительно с 25 до 127 м/с [4]. О чрезвычайно высоком G-коэффициенте 17400 наблюдалось при шлифовании закаленной стали кругом остеклованным кубическим нитридом бора (КНБ), имеющим ядро УВАП, со скоростью 200 м/с с твердостью зерен 80 [7]. Однако в этих исследованиях [1-5,7], - ни о каких детальных объяснениях об изнашивании круга и механизмах шлифования кругами на высоких скоростях не сообщалось.
Эти ограниченные результаты предполагают, что более высокие скорости круга могут привести к уменьшенному износу круга. Однако использование более высоких скоростей круга также связано с увеличением скользящей длины в объеме удаленного материала [6]. Это может вызвать больший износ и затупление абразивных зерен, хотя в одном случае более высокие скорости круга как сообщалось, произвели меньший износ абразивных зерен [2].
Существующее исследование было предпринято, чтобы далее исследовать возможности увеличения шлифовальных эксплуатационных показателей керамики с использованием высокоскоростных кругов. Эта статья касается износа круга и срока службы круга. Последующая статья [10] посвящена с количественной характеристикой топографии круга и механизмами шлифования.

Эксперимент
Полный экспериментальный подход иллюстрирован на рис. 1. Шлифовальные эксперименты проводились на прямой поверхности при условиях погружения (без кольцевания системы питания) в нижнем режиме на машине Edgetek компьютерного числового программного управления (CNC) с четырьмя осями, оборудованной FANUC 16M контроллером. Привод от двигателя на 26 кВт ведет шпиндель, используя V-паз, пояса и шкивы. Максимальная эксплуатационная шпиндельная скорость - 14 000 оборотов в минуту.

Схематическая иллюстрация экспериментального метода

Рисунок. 1 - Схематическая иллюстрация экспериментального метода

Четыре новых идентичных круга были проверены на отказ в трех различных шлифовальных условиях, все с той же самой нормой удаления по ширине. Первое испытание (круг I) проводилось на скорости круга Vs= 85 м/с (8000 оборотов в минуту), глубина резания a=50.8 μм, и скорость заготовки Vw= 63.5 мм/c, соответствуя норме удаления материала по ширине Q'w =3.23 мм2/с. В двух последующих испытаниях (круги II и III), скорость круга была увеличена до Vs= 149 м/с (14 000 оборотов в минуту) с той же самой глубиной резания и скоростью заготовки. Одно дополнительное испытание (круг IV) проводилось на той же самой более высокой скорости круга Vs =149 м/с, и той же самой нормой удаления по ширине Qw =3.23 мм2/с, но глубину резания уменьшили наполовину до 25.4 мм, и скорость заготовки удвоилась до Vw =l27 мм/с, чтобы уменьшить скользящую длину на объем единицы удаляемого материала. В течение шлифования, при тяжелом режиме пяти процентный раствор масла в воде был применен от одного сопла до шлифовальной зоны в расходе 1600 см3/с (25 галлон/минут) и от другого сопла нормального к поверхности круга 630 см3/с (10 галлон/минут), чтобы очистить любую прилипшую стружку. Материал заготовки был получен спеканием нитрида кремния (Allied Signal, AS800). Его механические свойства в окружающей температуре как сообщалось изготовителем – прочность на разрыв Kc=8.0 МПа•м1/2, твердость H=16 ГПа, модуль упругости E=310ГПа, и коэффициент Пуассона v=0.28. Для первого набора экспериментов (круг I) с более низкой скоростью круга, образцы для испытания были первоначально 21.6мм x12.7мм x50.8 мм. Для последующих экспериментов с более высокой скоростью круга, использовались более длинные образцы для испытания 21.6 мм x 12.7 мм x101.6мм. Шлифование велось в продольном направлении (50.8 и 101.6мм) с центральной частью ширины круга, занятой поперек полной шириной заготовки (12.7мм). Для каждого испытания новый круг диаметром d s =203мм (8 дюймов) и шириной b=25.4мм (1дюйм) содержащий единственный слой с твердостью алмазных зерен 180 нанесенных гальваническим способом соединенных никелем (Абразивное Технологическое объединение). Измерения размера алмазного зерна проводились, используя оптический микроскоп, dg=90μм, который является фактически идентичным ожидаемой Федерации европейских Производителей Абразивных Продуктов (FEPA) величине 91μм [6]. Плотность поверхностного натяжения C 0 для круга, полученного, подсчетом зерен на поверхности круга используя оптический микроскоп, была C 0=67мм-2. Отметим, что только доля этих зерен фактически принимает участие в процессе шлифования.
В течение шлифования, в процессе измерили силы при шлифовании, используя возможности монитора, которым снабжен станок, и компоненты силы, используя пьезоэлектрический динамометр (Kistler 9257A). Все данные подавались в персональный компьютер (ПК) сквозь динамичный сигнальный анализатор и цифровой осциллограф для дальнейшего анализа.
Периодические замеры были сделаны для радиального износа круга. Для этого, шлифовальный проход был взят на стеклянном образце несколько шире, чем шлифовальный круг как иллюстрировано на рис. 1. Так как керамический образец заготовки был более узким, чем ширина круга, та часть круга, которая не использовалась для шлифования, обеспечила рекомендованную поверхность, с помощью которой измерялся износ активной части ширины круга. След пера профилометра (Mahr Corp. Perthometer Concept) был сделан поперек шлифовального следа на стеклянном образце измерив глубину изнашивания. Для каждого образца, три размера были взяты в различных местах и усреднены.
Чтобы наблюдать прогрессивное изменение в топографии круга, были взяты четыре дубликата, используя ленту целлюлозы в отмеченных местоположениях вокруг поверхности круга после завершения каждого керамического образца. Копируемые образцы были исследованы, используя как оптический, так и сканирующий электронный микроскоп (SEM). Кроме того, высокая величина отклонения оптического микроскопа и SEM использовалась для изучения поверхности круга и стойкости после завершения каждого испытания. Наблюдения SEM были также сделаны на прошлифованных поверхностях после различного времени шлифования. Шероховатость поверхности заготовки была измерена, используя оба пера устройств (Mam-Corp.—Perthometer Concept) и оптического устройства (WYKO Corp.—Rollscope).
Литература
[1] Klocke, F., Brinksmeier, E., Evans, C. J., Howes, T., Inasaki, I., Tonshoff, H. K., Webster, J. A., and Stuff, D., 1997, ‘‘High Speed Grinding—Fundamentals and State of the Art in Europe, Japan and the USA,’’ Ann. CIRP, 46, No. 2, pp. 715–724.
[2] Inoue, K., Sakai, Y., Ono, K., and Watanabe, Y., 1994, ‘‘Super High Speed Grinding for Ceramics with Vitrified Diamond Wheel,’’ Int. J. Jpn. Soc. Precis. Eng., 28, pp. 344–345.
[3] Kovach, J. A., Blau, P., Malkin, S., Srinivasan, S., Bandyopadhyay, B., and Ziegler, K. R., 1993, ‘‘A Feasibility Investigation of High Speed, Low Damage Grinding for Advanced Ceramics,’’ SME 5th International Grinding Conference, SME, Vol. I.
[4] Kovach, J. A., Laurich, M. A., Malkin, S., and Zhu, B., 1994, ‘‘High-Speed, Low-Damage Grinding of Silicon Nitride,’’ Proceedings of the Annual Auto-motive Technology Development Contractors’ Coordination Meeting, October, Dearborn, Michigan, pp. 411–421.
[5] Maksoud, T. M. A., and Mokbel, A. A., 1995, ‘‘Very High Infeed Effects on the Grinding of Advanced Ceramic Materials,’’ Al-Azhar Engineering 4th International Conference, December 16–19, Cairo, Egypt.
[6] Malkin, S., 1989, Grinding Technology: Theory and Application of Machining with Abrasives, John Wiley & Sons, New York (reprinted by SME, Dearborn, MI.)
[7] Ukai, N., 1993, ‘‘Super High Speed Grinding with Vitrified CBN Wheels,’’ SME 5th International Grinding Conference, SME, Vol. I.
[8] Konig, W., and Ferlemann, F., 1990, ‘‘CBN Schleifsceiben fur 500 m/s Schnittgesschwindigkeitt,’’ Ind. Diam. Rundschau, 24, pp. 242–251.
[9] Tonshoff, H. K., Karpuschewski, B., Mandrysch, T., and Inasaki, I., 1998, ‘‘Grinding Process Achievements and Their Consequences on Machine Tools Challenges and Opportunities,’’ Ann. CIRP, 47, No. 2, pp. 651–668.
[10] Hwang, T. W., Evans, C. J., and Malkin, S., submitted, ‘‘High Speed Grinding of Silicon Nitride with Electroplated Diamond Wheels, Part 2: Wheel Topography and Grinding Mechanisms,’’ ASME J. Manuf. Sci. Eng., 122, pp. 42–50.
[11] Hwang, T. W., 1997, ‘‘Grinding Energy and Mechanisms for Ceramics,’’Ph.D. Thesis, University of Massachusetts.

http://link.aip.org/link/?JMSEFK/122/32/1

  В электронную библиотеку 

| Главная страница ДонНТУ| Страница магистров ДонНТУ|