 |
 |
 |
Кондрашов Руслан Валериевич Механический Факультет Специальность: «Металлорежущие станки и системы» Тема магистерской работы: «Обоснование и выбор сверхтвердых материалов для шлифования ванадиевой стали Р6М5Ф3» Руководитель: д.т.н., проф. Матюха Петр Григорьевич |
АВТОРЕФЕРАТ
Тенденции современной машиностроительной промышленности таковы, что она все больше и больше требует таких технологий, которые бы сочетали в себе надежность, точность, качество и высокую производительность. Но без современных мощностей инструментальной базы, невозможно достичь этих результатов. Поэтому происходит постоянный поиск новых конструкций, материалов инструментов. Мощная научная база нашей страны позволяет создавать и совершенствовать новые инструментальные материала, но наряду с этим осуществляется глубокое изучение по улучшению свойств уже используемых в промышленности.
При шлифовании инструментов и других изделий из труднообрабатываемых материалов, часто используют алмазные круги. Но тех свойств, которые образуют алмаз уже недостаточно, поэтому все больше и больше внимания уделяется внедрению сверхтвердых материалов. Поэтому эффективными средствами обеспечения надежности и стойкости инструмента являются инструментальные материалы повышенной износостойкости и теплостойкости, прочности и твердости, рациональные конструкции инструментов, высокоэффективные технологии их обработки. Интенсификация инструментального производства на основе развития эффективных средств производства (инструменты, оборудование) и высокопроизводительных технологий механообработки – ключевая задача машиностроительного комплекса и других базовых отраслей промышленности. Применение сверхтвердых материалов рассматривается в инструментальном производстве как приоритетное направление увеличения производительности и повышения надежности режущих инструментов и деталей машин. Использование абразивных инструментов из СТМ в технологиях шлифования основных инструментальных материалов – твердых сплавов, инструментальных сталей, режущей керамики, безвольфрамовых твердых сплавов, материалов на основе карбида бора и др., позволяет решать проблему рационального использования данных материалов, представляет важнейший резерв увеличения производительности обработки, предопределяет экономичность производственных процессов и гарантирует высокое качество обработки инструментов и деталей машин.[2]
Шлифовальный инструмент из сверхтвердых материалов расширяет спектр применения в машиностроительной промышленности, теперь шлифование неизменно растет. Однако требуются исследования и знания, которые бы позволяли использовать СТМ в такой мере. Поэтому основным практическим результатом магистерской работы будет разработка рекомендаций по применению шлифовального инструмента из СТМ при обработке ванадиевых сталей, в частности в качестве используемого образца была взята сталь Р6М5Ф3 так, как среди ванадиевых сталей она наибольшее применение. Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al2O3). Обрабатываемость при шлифовании – «шлифуемость», – это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).
В основу рекомендаций будут положены результаты ряда проведенных практических экспериментов. Это позволит исходя из расхода круга, подсчитать себестоимость обработки, а также ее производительность. Ведь именно эти параметры являются основополагающими при выборе марки абразивного материала. Только низкая себестоимость высокая производительность и обеспеченное качество помогут способствовать росту предприятия в условиях рыночной экономики.
Цели и задачи магистерской работы
При выполнении магистерской работы, были поставлены следующие цели, достижение которых будет являться главной задачей, при решении существующей проблемы. Для грамотного обоснования и правильного выбора СТМ для шлифования ванадиевых сталей необходимо:
— провести литературный обзор по исследованию шлифования с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность круга;
— осуществить модернизацию оборудования для выполнения шлифования с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность круга;
— разработать конструкцию устройства для осуществления шлифования по упругой схеме с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность круга;
— создать или выбрать методики планирования и проведения эксперимента, а также методики обработки данных полученных практически;
— рассчитать удельною себестоимости шлифования кругами из СТМ их сравнение с целью поиска оптимального материала абразива.
Литературный обзор существующих исследований
Вклад в изучение данной проблемы внесли многие отечественные и зарубежные ученые-исследователи. В Украине мощным научным центром, которой занимается данной проблемой, стал институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля. Институт сверхтвердых материалов (ИСМ) им. В.Н. Бакуля НАН Украины, в настоящее время, является научно-технологическим центром Украины в области разработки, получения и применения сверхтвердых материалов (СТМ) – синтетических алмазов (СА) и кубического нитрида бора (КНБ), что весьма актуально для развития современного инструментального производства, так как основными факторами, определяющими повышение производительности обработки материалов, являются износостойкость и надежность инструмента. Здесь ведется активная работа по поиску новых сверхтвердых материалов, новых конструкций и типов инструментов, осуществляется внедрение прогрессивных технологий.[9]
Проблему эффективного использования решал д. т. н. А.О. Шепелєв в своей диссертационной работе «Интенсификация процессов шлифования инструментальных материалов кругами из синтетических алмазов и кубического нитрида бора». В работе были развиты научные основы интенсификации процессов шлифования инструментальных материалов на основе выделения основного фактора влияния - кинематики процесса шлифования инструментами из сверхтвердых материалов (СТМ). Научной основой данной технологии есть впервые созданная кинематическая схема процесса вибропрецессионного шлифования, которая обеспечивает создания поверхностей резания с квазирегулярным микрорельефом. Установлены кинематические модели поверхностей шлифовальных кругов из СТМ и основные закономерности параметров вибропрецессионного шлифования. Они определяют оптимальные показатели трудоспособности кругов из СТМ в диапазоне низкочастотных колебаний. Разработан и научно обосновано новые высокопроизводительные технологии шлифования инструментальных материалов, а также созданы конкурентоспособные на мировом уровне шлифовальные круги с специальным функционально-ориентированным рабочим пластом из СТМ.[10]
В докторской диссертации д. т. н. В.И. Лавриненко «Научные основы шлифования инструментальных материалов со направленным изменением характеристик контактных поверхностей» рассмотрен вопрос повышения эффективности процессов шлифования инструментальных материалов, которые содержат в структуре карбиды металлов IVb – Vb подгрупп, за счет изменения характеристик контактных поверхностей кругу и обрабатываемого изделия путем управления характером контактных процессов в зоне обработки, а также, чем условие формирования электродных пленок, формоизменения поверхностей, изменения фазового состава поверхностного пласта. Научную основу решений составили впервые установленное представление процесс обработки, в основу которого положена концепция направленного и регулированного использования совокупности механических, физических и химических влияний, волновое формоизменение режущей поверхности кругу и механизм снятия данных в процессе шлифования, концепцию приоритетности катодных процессов в снижении энергоемкости обработки. Разработаны новые шлифовальные круги, составы технологических жидкостей и процессы эффективного шлифования инструментальных материалов.[12]
Для нашей кафедры это направление исследований уже прорабатывалось (м. н. с. Габитов В.В., к. т. н. Полтавец В.В., к. т. н. Стрелков В.Б., д. т. н., проф. Матюха П.Г., к. т. н. Гриневым А.А., к. т. н. Гриневым А.А. и др.) и сейчас тоже ведется активная работа по исследованию. Области применения и возможности эффективного использования сверхтвердых материалов. В настоящее время в работах выполненных на кафедре «Металлорежущих станков и инструментов» к. т. н. Гриневым А. А. решены задачи определения режимов алмазного шлифования с увеличенными дугами контакта изделий из труднообрабатываемых ванадиевых сталей. Определены режимы электроэрозионных воздействий на РПК, обеспечивающие минимальную себестоимость обработки этих сталей. В магистерской работе Габитовым В.В. выполнен теоретический анализ метода алмазного шлифования с осевыми колебаниями шлифовального круга. Рассчитаны параметры резания и теоретически обоснованы причины роста производительности обработки на примере конкретных показателей (длины дуги контакта единичного абразивного зерна круга, формы среза единичным зерном). Разработаны несколько вариантов конструкций устройств для реализации колебаний шлифовального круга. В условиях лаборатории изготовлены их образцы и проверена их работоспособность. Практически подтверждена возможность существования такого вида обработки, как шлифование с осевыми колебаниями круга. Выполнен анализ и описание оборудования для поддержания рабочей способности круга в процессе обработки.[4] В своей диссертационной работе к. т. н. В.В. Полтавец «Обоснование режимов шлифования труднообрабатываемых материалов при электроэрозионном воздействии на рабочую поверхность круга» решил актуальную задачу повышения эффективности алмазного шлифования труднообрабатываемых ванадиевых сталей с электроэрозионными управляющими действиями на рабочую поверхность круга (РПК) с помощью поиска оптимальных режимов обработки. Создал математическую модель шлифования по упругой схеме. Описал эволюцию подсистемы резания во время обработки. Разработал расчетно-экспериментальная методику поиска оптимальных условий функционирования системы шлифования по критерию минимальной удельной себестоимости обработки, для реализации которой экспериментально исследовал ряд показателей шлифования по упругой схеме с электроэрозионными управляющими действиями на РПК. Предложил модели алмазного зерна, которые используются в аналитических зависимостях математической модели процесса шлифования. Определил оптимальные режимы шлифования и управляющих действий на РПК во время обработки по упругой схеме ванадиевых сталей. Экспериментально подтвердил оптимальность режимов шлифования, найденных по предложенной методике.
Но потенциал научных исследований по совершенствованию и развитию процессов механообработки неуклонно растет во всем мире. О большом внимании индустриально развитых стран к сверхтвердым материалам – как наиболее перспективным для оснащения инструмента, может свидетельствовать то, что в настоящее время США, Япония, Германия, Англия, Испания, Франция используют до 80% добываемого природного и производимого синтетического алмаза. При этом одной из основных областей применения сверхтвердых материалов является механообработка, в которой используется около 70% общего объема сверхтвердых материалов.[2] Благодаря мощной научной базе и хорошему финансированию в этих высоко развитых странах ведется широкая исследовательская работа по поиску оптимальных режимов обработки, создаются новые инструментальные материалы, новые технологии производства.
Шлифование инструментальных сталей кругами из КНБ
В механизме резания зерном из алмаза и кубического нитрида бора много общего. Поверхность зерен этих сверхтвердых материалов имеет высокоразвитый рельеф. Поэтому в работе ими постоянно участвуют несколько режущих кромок, которые оставляют следы на обработанной поверхности, следы отдельных режущих кромок периодически обрываются, затем появляются новые, что свидетельствует о хрупком разрушении и самозатачивании зерен. При работе зернами электрокорунда и карбида кремния такие явления на наблюдаются.[3]
Вид, характер и интенсивность износа зерен кубического нитрида бора при шлифовании инструментальных сталей (Р18, ХВГ и др.) зависят от температуры резания, давления, среды, свойств обрабатываемого материала и других факторов, определяющих физико-химические явления, происходящие в зоне резания. Главный фактор - температура, от которой зависят термическая диссоциация (с выделением атомарных В и N), окисление, интенсивность, образования борного ангидрида В2O3, а также фазовые превращения КНБ. При температурах примерно до 550°С условия окисления КНБ затруднены, образующаяся при этом пленка В2O3 не имеет сплошности, поэтому превалируют абразивно-механический износ зерен и адгезионные явления, что увеличивает коэффициент трения, силы резания и снижает износостойкость шлифовального инструмента. Вследствие невысоких температур диффузионные явления в зоне резания не могут интенсивно развиваться и влиять на износ КНБ. При повышении температуры в зоне резания образуется тонкая глазурная, прочно связанная с зерном сплошная «самозатачивающая» пленка расплавленного борного ангидрида В2O3 которая и предотвращает развитие диффузионного износа, что значительно уменьшает коэффициент трения, силы резания и износ КНБ.[3]
Наиболее рационально применение КНБ в условиях, образования «самосмазывающей» плёнки оптимальной толщины, близкой к мономолекулярной, состоящей из борного ангидрида В2O3 и гексагонального графитоподобного нитрида бора. Образование составляющих пленки можно осуществлять: управлением образования В2O3 при наложении направленного электрического поля без применения СОМЖ; получением КНБ необходимого типа проводимости при его синтезе или поликристаллического КНБ равномерной мелкодисперсной структуры с большим содержанием β-ВН; подбором. СОМЖ, интенсивностью и способом подачи ее в зону резания (в данном случае рекомендуются масла, насыщенные окислителями, которые не растворяют углерод, что способствует образованию гексагонального нитрида бора). Пленка снижает силы резания и повышает износостойкость шлифовального инструмента из КНБ. Так, наложение постоянного электрического поля напряженностью около 3000 В/м при шлифовании без осаждения инструмента из быстрорежущей стали кругами на не токопроводящих связках снижает удельный расход КНБ в 2-2,4 раза.[2]
При дальнейшем увеличении температуры в зоне резания интенсифицируется окисление, термическая диссоциация и кристаллографические превращения КНБ, испарение В2O3 и другие процессы, а в составе пленки появляется больше гексагонального нитрида бора, толщина пленки увеличивается. Все это, несмотря на некоторое снижение коэффициента трения, увеличивает силы резания и износ зерен. КНБ. Диффузионные явления при этом практически отсутствуют.
Высокая жесткость и относительно низкая прочность КНБ на сжатие в сочетании с высокой режущей способностью способствуют резкому уменьшению деформации поверхностного слоя затачиваемого инструмента, сил и температуры резания. Более высокая, чем у обычных абразивов, теплопроводность обеспечивает интенсивный отвод тепла, возникающий в процессе шлифования, от рабочей поверхности зерен КНБ. В результате снижается температура резания.
В современном производстве достаточно широко распространены стальные режущие инструменты, состоящие из закаленного рабочего лезвия и незакаленной державки-подложки. Типичным их представителем являются ножи полиграфических бумагорезальных машин, которые соединяют закаленную сталь марки 9ХФ (твердостью 55-59 HRC) и незакаленную сталь 10 (твердостью 74-77 НRВ) в соотношении 1:6. По аналогии с быстрорежущими сталями, сталь марки 9ХФ содержит твердые и прочные карбиды хрома Cr23C6 (НV ≈ 15 ГПа), а также ванадия - VС и V4Сз (НV ≈ 28 ГПа), что ухудшает ее шлифуемость кругами из электрокорунда. Кроме того, зернам абразивного материала необходимо производить съем материала при непрерывном контакте со сталью на пути резания до 35 мм. Это значит, что при таких условиях для обеспечения высокопроизводительной обработки необходимо использовать круги из КНБ и процессы электрошлифования.[2]
Таблица 1. — Работоспособность кругов КНБ.
Проведенными исследованиями установлено, что среди различных методов электрошлифования наименьший износ круга обеспечивается при электрохимическом шлифовании (табл. 2.20). Методы шлифования, связанные с принудительным инициированием электроэрозионных разрядов в зоне обработки (электроэрозионный и электроискровой), чрезмерно влияют на связку круга и повышают ее износ. С увеличением производительности ЭХШ возрастает также и технологический ток, что, в свою очередь, снижает износостойкость кругов из КНБ. Поэтому в данном случае необходимо использовать правку круга с периодическим дозированием в зону обработки электрического тока. Установлено (см. табл. 1.), что для реализации такого способа лучше применять круги на металлических связках, чем на металлополимерных. Но такой вывод, является справедливым только для кругов из КНБ, а при алмазном электрошлифовании безвольфрамовых твердых сплавов лучше использовать круги на металлополимерных электропроводных связках.[2]
Основные ожидаемые результаты магистерской работы
— модернизация оборудования для выполнения шлифования с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность круга;
— разработка конструкции устройства для осуществления шлифования по упругой схеме шлифования с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность круга;
— выбор методики планирования и проведения эксперимента, а также методики обработки данных полученных практически;
— расчет удельной себестоимости шлифования кругами из СТМ и их сравнение с целью поиска оптимального типа материала абразива.
Выводы и перспективы дальнейших исследований
Это направление научных разработок, совсем не ограничивается данной темой. Возможно, расширить тему и поставить ряд экспериментов по обработке таких труднообрабатываемых материалов, как вольфрамовые, безвольфрамовые и маловольфрамовые стали и сплавы, минералокерамику, а также другие материалы. Прогнозная оценка современного уровня применения шлифовальных кругов из СТМ позволяет обосновать направления интенсификации процессов шлифования инструментальных материалов. При этом особое значение имеет применение методов вибрационного и волнового воздействия, совмещение механического воздействия с химическими, электрическими и другими процессами обработки, т.е. интенсивное использование совмещенных процессов физико-механической обработки. Это способствовало бы стимулированию и активизации исследований по созданию, и развитию новых сверхтвердых материалов и методов обработки, с качественно новыми свойствами. Как техническая продукция, сверхтвердые материалы и инструменты на их основе относятся к наукоемкой продукции, показателем которой, как известно, является стоимость 1 кг массы этой продукции. Так, стоимость 1 кг сверхтвердых абразивных материалов составляет порядка 1–5 тыс. долларов США, стоимость 1 кг инструментов из СТМ – 0,1–0,5 тыс. долларов США. По современным рыночным определениям данную продукцию следует считать относящейся к средне или высокотехнологичным отраслям промышленной продукции, таким как авиа, авто и приборостроение, фармацевтика, химическая промышленность, научные инструменты. Сверхтвердые материалы и инструменты на их основе, являются наукоемкой и высокотехнологической продукцией, то необходимо развитие и поддержка научных центров Украины.[2]
Список использованной литературы