ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ОРІЄНТУВАННЯ АБРАЗИВНИХ ЗЕРЕН НА ТОЧНІСТЬ
ОБРОБКИ ТА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ШЛІФУВАЛЬНИХ КРУГІВ ПІД ЧАС ШЛІФУВАННЯ
Швирьов Д. О., Іщенко О.Л. (ДонНТУ, м. Донецьк,
Україна) (www.masters.donntu.ru./2002/mech/svyrev)
In this work are consider problems receipt best quality
processing and promoted wear firmness grinding circle on as a guide grains.
Сучасний стан питання про вплив
орієнтування абразивних зерен на загальну точність обробки та зносостійкість
шліфувальних кругів, тобто безпосередньо на якість та продуктивність обробки
стоїть на дуже низькому рівні розвитку. Однак та робота, яка вже проводилась у
цьому напрямку дає значні позитивні результати. Різальні
властивості окремих зерен абразивних інструментів, особливо алмазних та
ельборових шліфувальних кругів, використовується недостатньо ефективно.
Класифікація зерен за формою сприяє підвищенню ефективності їх використовування,
однак у звичайному шліфувальному крузі зерна орієнтовані довільно (хаотично).
Значне підвищення різальних властивостей та зносостійкості
круга може бути досягнено шляхом правильного орієнтування класифікованих за
формою алмазних зерен. Однак на даному етапі розвитку виробництва це питання
розглянуто дуже слабко, тобто майже повністю відсутні технологія орієнтування
абразивних зерен та технологія покриття абразивних зерен феромагнітним
матеріалом. Кінцева мета розвитку теорітичних досліджень, а згодом і
використання результатів цих досліджень на практиці - це підвищення якості
оброблюваної поверхні, підвищення стійкості інструмента й продуктивності обробки
за рахунок орієнтування абразивних зерен і структур обробки.
Перш ніж розпочати аналіз досліджень у сфері орієнтування абразивних зерен,
необхідно розглянути питання, яке стоїть на початку цього процесу. Для
орієнтування абразивних зерен під час виготовлення інструмента їх необхідно
покривати феромагнітним матеріалом. У дослідженнях використовували порошки з
металічним, неметалічним і композиційним покриттям. Круги виготовляли з алмазів,
кубічного нітрида бору, металізованих нікелем, сплавами Co-Ni та Co-Nі-Fe. На
зерна наносили і композиційне покриття на основі нікелю та кобальтнікелевого
сплаву з вкрапленням частинок фериту барія. При цьому в процесі електроосадження
на поверхні зерен формується кобальтнікелева матриця, яка цементує частинки
фериту. В результаті утворюється покриття, яке володіє високими магнітними
властивостями. Розмір частинок фериту не перевищував 20 мкм, їх вміст складав
6-10 мас.%. Абразивні зерна, що покриті плівкою з
намагніченістю, спрямованою уздовж довжини, краще орієнтуються в магнітному
полі. В цьому випадку енергія магнітного поля витрачаеться лише на поворот зерна
довшою віссю у напрямку магнітних силових ліній. У товстих плівках енергія поля,
крім механічного моменту, який розгортає зерно довшою віссю у напрямку магнітних
силових ліній поля, витрачається ще на перемагнічування доменів, на зміщення їх
границь. У цих плівках домени з напрямком намагніченісті, близьким до напрямку
ліній зовнішнього магнітного поля, будуть рости за рахунок зміщення границь та
поглинання несприятливо орієнтованих доменів. Таким чином для отримання
монодоменної структури бажана мінімальна товщина покриття. Однак надмірне
зменшення товщини плівки також знижує точність орієнтування. Нанесення занадто
тонкого покриття також може привести до різкого зменшення моменту сил, які
розгортають зерно. Його значення може бути недостатнім для подолання сил опору
зв'язки. Саме тому оптимальним є ступінь металізації, який дорівнює 40-60%, при
якому товщина плівки покриття для частинок розглянутих зернистостей становить
3-5 мкм. Аналіз ряду експериментів, у яких використовувались
круги, що були виготовлені з зерен з композиційним покриттям, показує, що у
випадку нанесення на зерна такого покриття та їх подальшого орієнтування
зносостійкість інструмента може бути підвищена у два рази. Впровадження частинок
фериту сприяє деякому зниженню ефективної міцності шліфування, що викликано
зменшенням коефіцієнта тертя. Результати досліджень показують,
що на працездатність кругів з орієнтованим розташуванням зерен металізація
чинить значний вплив. Однак до цього часу єдиного універсального покриття не
існує. Під час шліфування чавуну кругами з орієнтованими зернами на металічних
зв'язках (МП1, М1 та ін.) доцільно використовувати кобальтнікелеве покриття. Під
час обробки твердих сплавів кругами на органічних зв'язках (Б156 та ін.) для
нанесення покриття можна вибрати нікель, сплави Co-Nі-Fe або Co-Nі з вкрапленням
частинок фериту. Оптимальний ступінь металізації у випадку використовування
вказаних покриттів складає 39-60 мас.%. Нанесення перерахованих покриттів з
одночасним орієнтованим розташуванням у робочому шарі дозволяє знизити
концентрацію абразивних зерен у крузі на 25-50%. Для розглянутих умов шліфування
твердого сплаву найкращі результати отримані з використовуванням композиційного
покриття на основі сплаву Co-Nі, що містить 10% частинок фериту барія.
Розглянемо результати досліджень впливу орієнтування
класифікованих алмазних зерен на процес шліфування твердого сплаву. Аналіз
показує, що круги з різним розташуванням зерен мають різну зносостійкість. При
невеликій різниці в продуктивності обробки у кругів з орієнтованим розташуванням
зерен спостерігали значне зменшення питомого розходу алмазоносного шару. Так,
питомий розхід алмазних зерен для круга з орієнтованими зернами під час обробки
сплаву ВК8 у 2, сплаву ВК15 у 2,5, а сплаву ВК20 у 2,4 рази менший, ніж для
круга з довільним розташуванням зерен [1]. Дослідження
показали, що зношування кругів з неорієнтованих зерен з нікелевим покриттям
зафіксоване при Vкр<20 м/с. Орієнтація алмазних зерен з покриттям зі сплавів
Со-Nі або Со-Nі-Fe забеспечує найменше зношування у випадку шліфування твердого
сплаву при швидкості 25-35 м/с. Величина розходу алмазів для кругів з
орієнтованими зернами, які металізовані сплавом Со-Nі, наприклад, при Vкр=28
м/с, у 2,7 рази менша, ніж для аналогічних кругів без орієнтування зерен, та в
4,5 рази менша, ніж для кругів з неметалізованих алмазів.
Підвищений розхід алмазоносного шару круга з неорієнтованими зернами пояснюється
великим руйнуванням зерен у процесі шліфування, а також їх несприятливим
закріпленням у зв'язці; орієнтовані зерна краще опираються руйнуванню та
вириванню їх зі зв'язки завдяки правильному закріпленню. Під час шліфування
орієнтовані зерна вступають у роботу під певними кутами, іншими, ніж при
довільному їх розташуванні, коли частина зерен, що знаходяться у контакті зі
шліфуємою поверхнею, утворює з нею кути, несприятливі для різання. В останньому
випадку виникають підвищені сили різання, під впливом яких зерна можуть бути
скоріше зруйновані або вирвані зі зв'язки. У випадку обробки
твердого сплаву кругами з неорієнтованими зернами при Vкр<20 м/с шорсткість
декілька менша, ніж під час використовування інструмента з орієнтованими
алмазами, однак при Vкр>20 м/с вона різко підвищується, що викликано
зниженням різальних властивостей кругів. Для інструмента з орієнтованим
розташуванням зерен мінімальні значення Rа зареєстровані у діапазоні Vкр=25-30
м/с. Шорсткість поверхні, яка оброблена таким кругом, при Vкр>30 м/с у 1,5-2
рази менша, ніж у випадку шліфування кругами з неорієнтованими алмазами.
Ефективність орієнтування підвищується у випадку накладування
коливань. Під час проходження хвилі крізь абразивну масу утримання зер-на
оточуючою його зв'язкою різко послабшується. Розгортання зерен
довгими осями у напрямку магнітних ліній поля - стохастичний процес,
характеристики якого залежать від параметрів вібраційного поля (частоти і
амплітуди коливань). Стійкого орієнтування у заданому напрямку зерна досягають
за деякий проміжок часу, який називається перехідним періодом. Причиною зміни
орієнтування алмазів під час коливання суміші є неоднаковість момента кількості
руху, який повідомляється частинками зв'язки, прилягаючими до різних сторін
алмазного зерна. Дослідження показують, що на магнітну індукцію
магнітного поля впливають маса та лінійні розміри зерен, його магнітні
властивості (магнітна проникність) і товщина, амплітудно-частотні характеристики
коливань та їх тривалість, характеристики зв'язки (розмір частинки зв'язки і
коефіцієнт, що враховує форму та масу зерен, силу їх зчеплення з частинками
суміші). При цьому при збільшенні маси зерна і частоти коливань необхідно
підвищити магнітну індукцію поля, а зі збільшенням товщини покриття і тривалості
коливань зменшити. За допомогою розглянутої вище методіки було розроблено ряд
способів орієнтування зерен і відповідне техничне обладнання, а також технологія
виготовлення шліфувальних кругів з зерен довгастої форми. Деякі способи
передбачають поляризацію та орієнтування зерен імпульсним струмом, у іншіх
орієнтування зерен здійснюється під час накладання сталого магнітного поля та
додаткового загасаючого змінного магнітного поля, спрямованого перпендикулярно
напрямку сталого магнітного поля, при цьому напруженість змінного загасаючого
магнітного поля на початку процесу встановлюється у 1,5-2 рази більшою за
напруженість сталого магнітного поля [2]. Таким чином
проведений загальний аналіз показує, що зносостійкість кругів з орієнтованим
розташуванням зерен є значно вищою, ніж у звичайних. Так, відносний розхід
алмазів під час шліфування кругами з орієнтованими зернами твердого сплаву у 4,3
рази менший, чавуну у 2,6, фериту у 2,5-3 рази. Одночасно зі зниженням розходу
алмазів спостерігали деяке збільшення продуктивності обробки. Круги з
орієнтованими зернами характеризуються кращими різальними властивостями і
правляться рідше, ніж звичайні. Під час їх використовування ефективна міцність
шліфування знижується до 25%. Шорсткість поверхні під час обробки з
орієнтованими і неорієнтованими зернами приблизно однакова.
Отже експериментальна перевірка показала високу ефективність кругів з
орієнтованими зернами, а також те, що питання орієнтування абразивних зерен буде
розвиватися і вдосконалюватись ще протягом великого проміжка часу.
Перелік літератури: 1. Зайцев А. Г. Влияние расположения алмазных
зёрен на процесс шлифования твёрдого сплава.-Вестн. Машинострое-ния, 1977, № 8,
с.71-72. 2. Ящерицын П. И. и др. Алмазно-абразивная обработка и упрочнение
изделий в магнитном поле.- Минск: Наука и техника, 1988.-272 с.
