Короткий огляд існуючих досліджень
При використанні пластин з твердого сплаву і мінералокераміки головною перешкодою є висока твердість і крихкість. Незважаючи на застосування при фінішній механічній обробці великої кількості таких високоточних методів обробки як ультразвукова, лазерна та ін, найбільш використовуваним і продуктивним в даний час є алмазне шліфування. Процеси, що відбуваються при руйнуванні припуску при алмазному шліфуванні, надалі впливають на експлуатаційні характеристики пластин[3].
Розвиток сучасного світового машинобудування пов'язано з розширенням обсягів та номенклатури важкооброблюваних матеріалів (високотвердих легованих, жароміцних сталей, чавунів та інших сплавів), при різанні яких у зоні контакту з інструментом виникають високі температури (понад 800 С). Це призвело до зростання обсягу світового споживання ріжучої кераміки від 2% в 70-х років 1 до 5% до 90-х років (з передбачуваної тенденцією зростання кількості РК в розвинених індустріальних країнах до 12% у 2000 р.) 2 від загального обсягу інструментальних матеріалів. Згідно сталої тенденції нинішнє світове споживання РК знаходиться в межах 7 — 8%, а в розвинених індустріальних країнах досягає 10 — 12%.
Значне перевага твердих сплавів (їх різальних властивостей) над іншими інструментальними матеріалами зумовило появу і широкий розвиток швидкісного різання металів, а також можливість механічної обробки.
Високі ріжучі властивості твердих сплавів обумовлюються тим, що вони складаються в основному з карбідів тугоплавких металів, що характеризуються високими твердістю, зносостійкістю і температурою плавлення. У твердих сплавах застосовується порівняно невелика кількість металів. У промислових марках радянських твердих сплавів знаходять застосування лише три металу: вольфрам, титан і кобальт. Високі твердість і температура плавлення карбідів тугоплавких металів чітко виявляються при зіставленні їх з карбідом заліза — цементитом (Fe3C).
Подальше вдосконалення керамічних ріжучих матеріалів вимагає застосування нових підходів до технології їх виготовлення. Кардинальними рішеннями цієї задачі на сьогодні є два основних напрямки: 1 — істотне підвищення експлуатаційних властивостей ріжучої кераміки, яке дозволило б у кілька разів збільшити продуктивність інструменту; 2 — розробка ресурсозберігаючих технологій, що дозволяють зменшити енерговитрати на виготовлення ріжучої кераміки та врахувати екологічні аспекти розвитку порошкової металургії [2].
Метою магістерської роботи є дослідження процесу алмазно-абразивної обробки при обробці крихких матеріалів
Завдання досліджень наступні:
— проектування та модернізація конструкції плоскошліфувальному верстата, за рахунок нових конструктивних ознак;
— забезпечення універсальності пристосувань і максимальної продуктивності;
— проведення розрахунку та дослідження пристосувань для обробки кераміки;
— Розробити технологічний процес обробки твердого сплаву і мінералокераміки;
— Забезпечити мінімальну дефектність твердого сплаву і мінералокераміки;
У процесі шліфування (рис. 1) як різального інструменту використовують абразивні круги. Шліфувальний круг складається з великої кількості гострих і твердих абразивних зерен, зв'язаних між собою спеціальною масою-зв'язкою. Шліфувальний круг можна розглядати як фрезу з великою кількістю дрібних зубьев.На рис 2. представлений алмазно-абразивний шліфувальний круг. Дійсно, в процесі шліфування кожне зерно, що знаходиться на периферії кола, працює як зуб фрези, знімаючи стружки змінного перерізу. Особливостями шліфувального круга в порівнянні з іншими ріжучими інструментами є, з одного боку, дуже висока твердість зубців (зерен), а з іншого — здатність круга до самозагострювання, яке відбувається завдяки тому, що тупі зерна на поверхні кола викришуються, а в роботу вступають нові гострі зерна. Завдяки високій твердості абразивних зерен шліфуванням можна обробляти метали будь-якої твердості, включаючи тверді сплави і неметалеві матеріали, такі, як скло, мармур, камінь. Можливість роботи при шліфуванні з малими глибинами порядку 1 — 2 мкм і, відповідно, з малими зусиллями різання дозволяє цим методом легко досягати точності 6-го квалітету. Шліфування забезпечує шорсткість обробленої поверхні 7 — 10-го класів. на рис 1 представлена зернистість заточного круга[1].
Відповідно з цими особливостями процес шліфування застосовується для остаточної обробки високоточних деталей, обробки деталей, до яких пред'являються високі вимоги щодо якості поверхні, обробки деталей після гартування, а в деяких випадках і для чорнових операцій при роботі по твердій кірці. На шліфувальних верстатах можуть бути оброблені всі види зовнішніх і внутрішніх поверхонь - циліндричні, конічні, торцеві, фасонні та гвинтові.
Тверді сплави є основним інструментальним матеріалом, що забезпечує високопродуктивну обробку матеріалів різанням. Зараз загальна кількість твердосплавного інструменту, вживаного в механооброблююче виробництві, становить до 30%, причому цим інструментом знімається до 65% стружки, так як швидкість різання, застосовувана при обробці цим інструментом у 2 - 5 разів вище, ніж у швидкоріжучого інструменту.
Для чистової обробки рекомендуються сплави з більш низьким вмістом кобальту і великим вмістом карбідів. Для чорнової — навпаки. На Рис 3 представлено вплив кобальту на властивості твердого сплаву групи (ВК) [4].
Основний особливість ріжучої кераміки є відсутність сполучною фази, що значно знижує ступінь її разупрочнения при нагріванні в процесі зношування, підвищує пластичну міцність, що і зумовлює можливість застосування високих швидкостей різання, набагато переважаючих швидкості різання інструментом з твердого сплаву. Якщо граничний рівень швидкостей різання для твердосплавного інструменту при точінні сталей з тонкими зрізами і малими критеріями затуплення становить 500 — 600 м / хв, то для інструменту, оснащеного ріжучої керамікою, цей рівень збільшується до 900 — 1000 м / мін.На рис.4 представлена завісімостісоставляющей сили різання Рz від ступеня зносу hз інструменту
Форма пластин показана на рис. 5
За цією ознакою пластини розбиваються на чотири групи:
I. Рівносторонні і рівнокутні (правильний багатокутник і коло) — H, О, Р, R, S, Т.
II. Рівносторонні і неравноугольні (ромб, неправильний шестикутник) — З, DE, М, V, W.
III. Нерівносторонні і рівнокутні (прямокутні) — L.
IV. Нерівносторонні і неравноугольні (паралелограм) - A, В, K, F.
ГОСТ 19042-80 передбачає чотири типи виконання ріжучої крайки: гострі кромки (r = 0,02 мм); округлені кромки; кромки з фаскою; кромки з фаскою та округлені.
Пластини розрізняються також по довжині ріжучої кромки, товщині пластини, величини радіуса при вершині.
Для того щоб деталь придбала необхідні розміри і конфігурацію, як того вимагає замовник, а також товарний вигляд, якість і шорсткість поверхонь необхідно використовувати металорізальні обладнання.
Для виконання механічної обробки, на ділянці застосовуються три верстата: два токарно-карусельних і один шліфувальний.
На токарно-карусельних верстатах виконують такі роботи: обточують зовнішні циліндричні, конічні і фасонні поверхні, підрізають торці деталей, розточують внутрішні циліндричні поверхні, ведуть обробку отвори свердлами, розгортками.
На шліфувальних верстатах обробляють деталі за допомогою абразивних інструментів.
Пластини, що мають викривлення, шліфують на плоскошліфувальних верстатах алмазними шліфувальними кругами або піддають електрохімічній обробці. Закриті пази виготовляють з урахуванням забезпечення щільної посадки платівок. Зазор між площинами паза і платівки допускається в межах 0,05 — 0,15 мм.
До абразивного інструменту відносяться шліфувальні круги, бруски, хонінгувальні головки, наждачні полотна, застосовувані для шліфування, полірування, доведення деталей, а також для заточування інструменту. Алмазний інструмент становлять кола, різці, фрези з алмазними пластинами [5].
Багатогранні неперетачіваемие пластини виготовляють нормальної точності і прецизійні. Биття головних різальних крайок у фрез з шістьма —, п'ятьма — і чотиригранними платівками на двох суміжних зубах повинно бути не більше 0,12 мм, а на всій фрезі — не більше 0,2 мм, торцеве биття допускається не більше 0,2 мм. Граничне відхилення положення зачисних фасок щодо бічних поверхонь пластин підвищеної точності ± 0,01 і прецизійних пластин ± 0,003 мм. Багатогранні пластинки по биттю головних різальних крайок сортують по групах.
За площинах платівки піддають доведенні або шліфування. Доведення виконують на дисковому доводочной напівавтоматі ЗБ816І круглими чавунними притиром з абразивною або діамантовою суспензією. Більш продуктивна обробка платівок шліфуванням. Широко застосовують при шліфуванні твердосплавних пластин верстат 33731 з прямокутним столом і вертикальним шпинделем, що працює за принципом електрохімічного шліфування.
Для алмазного шліфування твердосплавних багатогранних неперетачіваемих пластин випускають спеціальні автоматизовані верстати. Плоскошліфувальний напівавтомат МШ — 259 служить для шліфування опорних торців пластин.
Алмаз використовується в абразивних інструментах, застосовуваних для шліфування різноманітних матеріалів.
У профілюванні алмазних кіл є деякі особливості. Для профілювання алмазних кіл застосовують: метод абразивного шліфування, електроіскрову обробку, гальванопластику з орієнтуванням алмазних зерен, шаржування з одночасним формуванням профілю алмазоносного шару на органічній зв'язці та освіта профілю кола шляхом пластичного деформування алмазоносного шару на металевій зв'язці фасонним накатним роликом. Накочення роликом забезпечує точність профілю 0,005 — 0,01 мм при мінімальному радіусі заокруглення 0,03-0,04 мм, високу продуктивність при виправленні (час накочування нового профілю 10 — 30 хв) і значне зниження витрати алмазів.
Зернистість і структуру кола вибирають залежно від вимог до шорсткості поверхні інструменту і розмірної стійкості кола. Для обдирного заточування і шліфування застосовують грубозернисті кола з відкритою структурою. Для остаточного заточування і шліфування застосовують дрібнозернисті кола.
При роботі торцем шліфувального круга його зв'язка й окремі зерна працюють на стиск і витримують навантаження у 6 — 8 разів більшу, ніж навантаження на розрив. При роботі периферією плоского кола або конічної частиною чашкового кола його зв'язка й окремі зерна працюють на вигин і відрив, що забезпечує кращу самозатачіваемость кола. Робота периферією і конічної частиною чашкового кола зменшує також площа і час контакту між шліфувальним кругом і оброблюваною поверхнею, що знижує теплоутворення. Зменшення площі контакту при заточуванні торцем круга забезпечується його поднутрением під кутом 10 — 15 ° або заправкою його по радіусу. Для роботи периферією круга з підвищеними подачами рекомендується заточувати інструмент у пристосуваннях на кругло — або плоско-шліфувальних верстатах. [1]
Теоретичний аназліз
Технологічний процес виробництва металокерамічних (порошкових) твердих сплавів і мінералокераміки складається з ряду наступних операцій:
Технологічний процес виробництва металокерамічних (порошкових) твердих сплавів і мінералокераміки складається з ряду наступних операцій:
1. Спочатку одержують грубий порошок вольфраму шляхом відновлення вольфрамового ангідриду W03 в потоці водню при 700 — 900 ° С або сажею при 1500 ° С. Отриманий грубий порошок вольфраму подрібнюють протягом приблизно 9 год на кульовий млині і просівають.
2. Порошок вольфраму перемішують з лампової сажею. Та карбонізується в паперових або вугільних патронах протягом 1 год у електропечі при 1400 ° С в атмосфері водню або окису вуглецю. Отриманий порошок карбіду вольфраму розмелюють і просівають, як і порошок вольфраму.
Для тітановольфрамового сплаву карбонізації можна піддати шихту з ТiO2 + С + W і отримати відразу обидва карбіду.
3. Отримані порошки карбідів і кобальту перемішують протягом 24 год і довше в кульовій млині; потім їх замішують з клеєм і підсушують. В якості клею застосовують або розчин синтетичного каучуку в бензині або розчин парафіну в чотирихлористому вуглеці.
4. Добре замішана і підсушена суміш піддається пресуванню при тиску приблизно 10-40 кг/мм2 (98-392 Мн/м2), причому тітановольфрамовие суміші вимагають більшого тиску пресування, ніж вольфрамові.
5. Далі проводять попереднє спікання суміші при 900 ° С протягом приблизно 1 год в атмосфері водню для створення міцності, необхідної при механічній обробці. Попереднє спікання застосовується не завжди.
6. Після попереднього спікання отриманий сплав розрізають і механічно обробляють на звичайних металорізальних, верстатах — фрезерних, стругальних, токарних і ін.
7. Остаточне спікання, в процесі якого утворюється твердий сплав, проводять в атмосфері водню або в засипці з порошку магнезиту або окису алюмінію - для вольфрамових сплавів протягом 2 год приблизно при 1400 ° С, а для тітановольфрамових протягом 1 — 3 години при 1500 ° С . Якість спікання залежить від чистоти карбіду титану: чим менше в ньому азоту і кисню, тим краще йде спікання.
Виробництво твердих сплавів вимагає особливої чистоти, ретельного лабораторного контролю, дотримання технологічної дисципліни і всіх тонкощів процесу. Якість та ріжучі властивості порошкових твердих сплавів і мінералокераміки залежать від технології їх виробництва не менш ніж від їх складу.
У крихких матеріалів, міцність сильно залежить від стану поверхні, особливо від наявності на ній мікротріщин. Мікротріщини можуть бути наслідком дефектів формування, випалення, механічної обробки.
ТП механічної обробки виробів включають операції шліфування, на яких відбувається їх формоутворення, і фінішні операції у вигляді чистового шліфування, доведення, притирання або полірування, забезпечують необхідний рівень шорсткості і мінімальну дефектність поверхневого шару деталі.
Шліфування, що виконується після гарту і відпустки, покращує властивості поверхневого шару (віддаляється обезуглероженний шар, зменшується шорсткість поверхні, підвищується міцність і стійкість інструмента). Однак значне тепловий вплив на поверхневий шар, що виникає при — шліфуванні, при деяких умовах (залежать від характеристики оброблюваного матеріалу інструменту, шліфувального круга, режимів шліфування, МОР та ін) може призвести до погіршення його властивостей.
Розглянемо на прикладі [2]:
п'ятигранна платівка (твердий сплав Т15К6, Т5К10, ВК8)
1. Сортувати по висоті та ракурсів.
2,3. Шліфувальна. Шліфувати по стрічці; шліфувати за базовою площині. База — протилежна площину. Верстат електрохімічний ЗЕ731 або плоскошліфувальний МШ — 280.
Шліфування виробляють алмазним кругом.
4. Профільно-шліфувальна. Шліфувати грані і вершини. База - опорний торець і отвір. Копіювально-шліфувальний напівавтомат МШ — 259.
Алмазний чашковий коло.
Застосування мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ знижує тертя і температуру в зоні контакту шліфувального круга з обробляли деталлю, покращує відведення тепла і видалення відходів шліфуванні із зони різання, у результаті чого зменшується затуплення, засолювання і знос шліфувального круга, підвищується продуктивність і якість обробки.
Таким чином, характеристики інструменту справляють істотний вплив на вихідні показники процесу шліфування: продуктивність, питома витрата матеріалу і шорсткість обробленої поверхні. Найбільш істотний вплив роблять зв'язка інструменту і зернистість також габарити шліфувального круга[1].
Аналізуючи вище представлених варіантів можна зробити висновки про те що ефективніше буде використовувати алмазно-абразивна шліфування.
Шляхи вирішення проблеми підвищення ефективності обробки:
— вибір оптимальної товщини зрізу
— вибір оптимальних режимів різання таких як швидкість різання, подача, потужність верстата
— оптимальний вибір шліфувального круга, а саме зернистість, твердість і зв'язка кола
— оптимальний вибір габаритів шліфувального круга
У результаті чого також знижується частка крихкого руйнування.
Виробничий процес виготовлення пластин з твердих сплавів і мінералокераміки повинен бути побудований на досягненні поступового зменшення дефектів обробки з метою забезпечення їх міцності і надійності при експлуатації. Вибір інструмента, схеми і режимів обробки визначається структурою і властивостями матеріалів заготовки[5].
Механічна обробка не повинна призводити до перевищення розмірів і щільності дефектів вище виразно допустимого значення з урахуванням їх розподілу та орієнтації в поверхневому шарі. Інтенсифікація режиму шліфування, перш за все за рахунок збільшення подачі, викликає збільшення сил різання, призводить до розвитку дефектності поверхневого шару виробів і, як наслідок, до зниження їх міцності. Змінюючи параметри режиму можна управляти дефектністю обробленої поверхні пластин з твердих сплавів і мінералокераміки, забезпечуючи задану міцність виробів. Дефектність, що виникає при обробці, не повинна перевищувати рівень структурної дефектності. У цьому випадку міцність пластин з ки
Застосування твердосплавних пластин і мінералокераміки забезпечує:
— підвищення стійкості на 20-25%;
— можливість підвищення режимів різання за рахунок простоти відновлення ріжучих властивостей пластин шляхом їх повороту;
— зменшення витрат абразивів.