Автор:Соколов А.В.
Источник: Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Качество выпускаемой продукции является основным фактором, определяющим конкурентоспособность изделий на мировом рынке. Проблемный характер носит обеспечение точности при изготовлении деталей сложной конфигурации из труднообрабатываемых конструкционных материалов и твердых сплавов. Одним из эффективных способов получения сложной формы высокой точности на таких деталях, является профильное врезное алмазное шлифование. При этом, точностные параметры детали будут определяться точностью профиля рабочей поверхности шлифовального круга и его размерной стойкостью в процессе обработки.
Для повышения размерной стойкости профильных алмазных кругов на металлических связках предложен новый способ, сущность которого заключается в следующем. Формирование профиля шлифовального круга на металлической связке получают за две технологические операции. На первой операции производится предварительное профилирование электроэрозионным методом. При этом конфигурация профиля рабочей поверхности шлифовального инструмента будет отличаться от требуемой на величину припуска под последующее накатывание роликом. При электроэрозионном профилировании не создается больших внутренних напряжений в связке круга, однако эта технология не позволяет получать высокую точность линейных и угловых размеров профиля.
Окончательное формообразование круга производят накатным роликом путем пластической деформации алмазоносного слоя в пределах припуска под накатывание с ограниченным усилием деформирования при малоцикловом нагружении. Накатывание роликом путем пластического деформирования связки приводит к утапливанию выступающих алмазных зерен в связку и приводит к формированию профиля круга, эквидистантного линии профиля накатного ролика. При накатывании на рабочей поверхности круга формируется упрочненный поверхностный слой, который обладает повышенной твердостью и износостойкостью, что приводит к повышению размерной стойкости круга при эксплуатации.
Предложено ограничить величину радиального усилия P пластического деформирования, чтобы избежать концентрации растягивающих напряжений на границе контакта алмазоносного слоя с основой круга до значений, приводящих к отслаиванию и разрушению связки, выражением:
где Dк – наружный диаметр шлифовального круга;
b – ширина контакта круга с накатным роликом;
q – (1,8…2,2)σт – максимальное давления при накатывании (σт – предел текучести материала связки);
dp – наружный диаметр накатного ролика;
E – модуль упругости материала связки.
В то же время величина радиального усилия деформирования рабочего слоя круга накатным роликом должна быть достаточна для создания контактного давления, превышающего предел текучести материала связки, так как в противном случае пластическая деформация и профилирование круга происходить не будут. Необходимо учитывать также, что при последующем накатывании происходит повторное упрочнение уже наклепанного слоя. Для обеспечения качественной геометрии круга количество циклов деформирования должно быть таким, чтобы приращение пластической деформации после определенного числа циклов прекращалось. Поэтому при определении усилия деформирования следует использовать приведенное расчетное соотношение, которое обеспечивает стабилизацию пластической деформации при числе циклов нагружения от 10 до 15.
Для повышения эффективности упрочнения связки профилирование накатным роликом производят с применением жировых смазок, которые позволяют уменьшить трение между контактирующими поверхностями ролика и рабочего слоя шлифовального круга. Введение в смазку поверхностно-активных веществ приводит к проявлению эффекта адсорбционного пластифицирования, который позволяет понизить прочность и облегчить деформацию материала связки.
При этом может быть достигнута стабильная точность профиля в пределах 5…10 мкм за счет выравнивания зерен относительно поверхности накатного ролика и повышенная размерная стойкость круга вследствие образования на режущей поверхности наклепанного слоя.
Для оценки влияния глубины упрочненного слоя на закрепление алмазных зерен в связке круга, использован метод трехмерного моделирования в программной среде Solidworks. Алмазное зерно апроксимировалось формой шара, и нагружалось силами, которые воздействуют на единичное зерно в процессе обработки.
Рисунок 1 – Распределение напряжений в связке круга в процессе шлифования
В результате решения конечноэлементной модели была получена картина распределения напряжений в связке круга вокруг единичного зерна. Решение модели выполнялось для различной глубины упрочненного слоя. Затем проводилась проверка на усталостное выкрашивание зерна из связки под действием сил резания, которые действуют на зерно циклически. Результаты моделирования показали, что способность связки шлифовального круга удерживать зерна увеличилась приблизительно на 25%.
Рисунок 2 – Зависимость числа циклов нагружения, которые выдерживает единичное алмазное зерно, от глубины упрочненного слоя
Данные полученные при моделировании согласуются с данными экспериментальных исследований, приведенными в работе [2]
Функциональная связь коэффициента упрочнения связки с величиной линейного износа шлифовальных инструментов устанавливалась экспериментально.
Исследования проводились на стенде, выполненном на базе токаро-винторезного станка 1Е61М. На суппорте станка устанавливалось накатное приспособление. Необходимая величина радиального усилия задавалась набором тарельчатых пружин, и тарировалась при помощи тензометрической системы. Оправка со шлифовальным кругом закреплялась в патроне и поджималась задним центром, что обеспечивало высокую жесткость технологической системы. Контроль радиального биения оправки с кругом производился индикатором. Накатной ролик диаметром 90 мм и шириной 15 мм изготавливался из стали ХВГ с поверхностной твердостью 62…64 HRCэ. Для измерения величины пластической деформации использовалась специальная скоба с индикатором часового типа. Цена деления индикатора 1 мкм. Эксперименты выполнялись на шлифовальных кругах 1А1 150×10×32×5 с различной характеристикой. После накатывания алмазными кругами производилось шлифование образцов из твердого сплава Т15К6 и по специальной методике определялась величина линейного износа.
Анализ полученных результатов (рис. 3) показывает, что величина коэффициента упрочнения связки связана линейной зависимостью с логарифмом линейного износа алмазного круга. С учетом этого можно записать:
где umax, ui – соответственно, максимальная и текущая величина линейного износа.
Рисунок 3 – Взаимосвязь линейного износа алмазного круга с коэффициентом упрочнения металлической связки: 1 – зернистость 50/40; 2 – зернистость 160/125
Апробация описанного способа в лабораторных условиях показала, что накатывание роликом существенно снижает износ шлифовального круга и делает его более равномерным по профилю. Это, в свою очередь, приводит к тому, что исходная конфигурация рабочей поверхности сохраняется практически неизменной в течение длительного промежутка времени.
1. Пат. 2364497 РФ. Способ изготовления профильных шлифовальных кругов / А.В. Соколов, В.З. Зверовщиков, В.О. Соколов и др.; Пенз. гос. ун-т. - №2008116945/02; заявл. 28.04.2008. Бюл. № 23. – 2009.
2. Ящерицын П.И. Профилирование алмазно-абразивных инструментов пластическим деформированием / П.И. Ящерицын, В.Д. Дорофеев, Г.П. Гринин. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1982. 112 с.