Чебоксары, Россия
Чебоксары, Россия
УДК 621.923.04 Отдельные способы шлифования, полирования и т.д.
Рассмотрены проблемные вопросы, связанные с разработкой, обрабатываемостью и областью применения новых высокопрочных керамических материалов. Эти материалы обладают высокой твердостью, соизмеримой с твердостью абразивных материалов. Поэтому изготовление изделий их таких материалов по традиционным технологиям затруднительна, а в ряде случаях просто невозможна. Для решения этой проблемы нами предложена модернизация станка модели PP600F с реализацией комбинированной электроалмазной обработки высокопрочных керамических материалов алмазными кругами на металлической связке. Модернизация предусматривает разработку специальных узлов и конструкций токосъемника, катода для правки круга, схемы источника технологического тока и конструктивных решений автоматического управления током правки. На основе результатов исследования установлены рациональные режимы резания, гарантирующие качество изделий из высокопрочных композиционных материалов. Эксперименты выполнены по стандартным методикам с использованием оптической и электронной микроскопии. Поставленные задачи решены с учетом исследования удельного расхода алмазных кругов на металлической связке, сил, мощности, температуры резания, дефектов на поверхности шлифовального круга и обрабатываемого изделия. Показано решение управления режущей способностью шлифовального круга и условия их работы в режиме самозатачивания. На основе стабилизации мощности резания установлен режим самозатачивания алмазных кругов на металлической связке и режимы шлифования: vкр = 35 м/с; Sпр = 0,5…1,5 м/мин; Sпоп = 0,02…0,05 мм/дв.ход; iпр = 0,2…0,6 А/см2; iтр = 4…6 А/см2. На примере шлифования диборида циркония алмазным кругом АС6 с зернистость 125/100 на этих режимах гарантирует отсутствие микро, макротрещин, шероховатость обработанной поверхности в пределах 0,2…0,4 мкм.
алмазные круги, шлифование, комбинированная обработка, управление процессом правки, качество, модернизация, высокопрочные керамические материалы
Введение Диборид циркония ZrB2 уникальный высокопрочный керамический материал. Основная область его применения: детали в химической, ракетной, космической отрасли и высокотемпературных узлах различной техники. Температура его плавления выше 3000ОС, устойчив к окислению, имеет значительную химическую стойкость в агрессивных средах. Поэтому может использоваться для создания защитных слоев на ответственных деталях машиностроения, а также при проектировании режущих инструментов на операциях механической обработки закаленных труднообрабатываемых и жаропрочных сталей [1-5]. Однако, несмотря на его высокую твердость, износостойкость, тепло и электропроводность, для инструментального материала он очень хрупкий. Единственным недостатком, приемлемых режущих свойств, является недостаточная прочность. Поэтому на операциях восстановления режущих свойств, как лезвийного инструмента, использовать его проблематично, практически невозможно создать режущую кромку, которая разрушается при затачивании и шлифовании. Для решения этой проблемы диборид циркония необходимо армировать, с целью увеличения его прочности, упрочненными частицами боридов, карбидами различных металлов или волокнами тугоплавких материалов, или как-то иначе. Целью данных исследований, является продолжение изучения свойств композитов на основе диборида циркония, результаты которых представлены в [6, 7], а также изыскание приемлемых условий обрабатываемости новых высокопрочных композиционных материалов и установления рациональных режимов шлифования комбинированными электроалмазными методами с использованием алмазных кругов на металлической связке [8 - 11]. Исследования выполнены на примере электропроводящей ZrB2 керамики с учётом минимального расхода алмазного круга, температуры, сил резания, мощности, образования микро макротрещин и шероховатости обработанной поверхности. Материалы и оборудование Обрабатываемость новых высокопрочных композиционных материалов механическим образом с применением лезвийного инструмента невозможна, а на операциях шлифования параметры обработки недостаточно изучены. Образцы диборид-циркониевой керамики показаны на рис. 1.
Авторы считают, что для решения обозначенных проблем наиболее перспективны технологии на основе электрофизических методов обработки [12 - 14]. Одним из таких методов рекомендуется комбинированная электроалмазная обработка алмазными кругами на металлической связке с одновременной непрерывной правкой шлифовального круга [15]. Но для этого требуется создание новых видов станков или существенная модернизация станков на базе существующего оборудования. Кафедра технологии машиностроения располагает достаточным опытом по модернизации различного вида оборудования шлифовально-заточной группы. В более ранних работах имеются сведения о множественных вариантах модернизации различных моделей станков под процессы комбинированной электроалмазной обработки, например: 3Д642Е, 3Е624, 3Г711 и др. В рамках данной статьи особое внимание уделяется информации по модернизации станка модели PP600F. Далее показаны отдельные фрагменты, связанные с качеством обработанной поверхности и модернизацией необходимых узлов и оснастки оборудования для шлифования различных высокопрочных композиционных материалов.
Результаты и обсуждения
На рис. 2 показана поверхность алмазного круга АС6 125/100 М1 – 100% после обычного шлифования. На рис. 2, а представлена обычная фотография, свидетельствующая о невозможности нормальной работы при шлифовании и поверхность этого же круга в отдельных точках при большом увеличении на растровом электронном микроскопе. На рис. 2, б видно, что рабочая поверхность алмазного круга не имеет режущих зерен, а те зерна, которые просматриваются, находятся ниже алмазоносного слоя и в работе не участвуют (рис. 2, в). Процесс резания в таких условиях сопровождается трением, высокими температурами и пластической деформацией на поверхности, как самого шлифовального круга, так и на поверхности обрабатываемого изделия.
Таким образом, всегда на операциях шлифования для эффективной работы требуется поддерживать режущие свойства шлифовального круга. Лучше будут условия, при которых шлифовальный круг работает с постоянными режущими свойствами в режиме самозатачивания. Для решения поставленной задачи нами предлагается один из вариантов шлифования алмазными кругами на металлической связке в режиме самозатачивания с непрерывной электрохимической правкой круга. Варианты исполнения этих схем описаны в работе [15]. На рисунке 3 показана принципиальная электрическая схема комбинированной электроалмазной обработки. Представленная схема обеспечивает работу алмазного круга в режиме самозатачивания с минимальными силами резания.
На рис. 4 показан общий вид станка модели PP600F, на котором решены обозначенные проблемы. На станке дополнительно установлены токосъемник, катод для непрерывной правки круга, источник технологического тока, специальная оснастка.
Токосъемник установлен на шпинделе станка, вне рабочей зоне, представляет устройство, в котором расположены три подпружиненные графитовые щетки (рис. 5, а). К корпусу графитовых щеток от источника технологического тока подключен электрический провод, второй провод крепится на рабочем столе станка. Для исключения короткого замыкания корпус станка изолирован специальными прокладками между токосъемником и катодом для правки алмазного круга (рис. 5, а, б). Также станок дополнительно оснащен необходимыми приспособлениями (тиски, патроны, центра, универсальные головки и др. устройства).
Со стороны рабочей зоны, на защитном кожухе алмазного круга закреплен правящий катод, через внутренние полости которого подается электролит. Таким образом осуществляется непрерывная правка алмазоносного слоя круга и обеспечивается его работа в режиме самозатачивания (рис. 5, б).
На рисунке 6 показаны блоки реализации предложенных электрических схем комбинированной электроалмазной обработки с одновременной правкой алмазного круга.
Источник тока (рис. 6, а) кроме промышленной частоты 50 Гц, позволяет также работать в импульсном режиме на других частотах,
10-3…10-7 Гц. Возможно проектирование и других источников технологического тока.
Представленная на рис. 7 электрическая схема, позволяет автоматически стабилизировать заданную величину тока в цепи правки и при необходимости изменять ее в зависимости от условий резания. Принцип работы схемы следующий. При потере режущих свойств алмазный круг теряет работоспособность и, как следствие, мощность резания возрастает, в результате чего повышается сила тока на фазах электропривода. При достижении мощности и сил резания критического значения, включается блок управления в цепи правки, происходит анодное растворение связки и засаленного слоя шлифовального круга, мощность резания снижается, а режущие свойства стабилизируются. В этом случае круг работает в режиме самозатачивания, происходит обновление абразивных зерен [16].
На рисунке 8 поверхность алмазного круга на металлической связке после правки. На ней виден развитый рельеф алмазоносного слоя с множественным количеством алмазных зерен с хорошими режущими свойствами (рис. 8, а) и спектр этой поверхности на котором отражены элементы связки круга с алмазными зернами (рис. 8, б).
На рисунке 9 обработанная поверхность композиционного материала после шлифования комбинированным электроалмазным методом на рациональных режимах резания. Экспериментами установлено, что шероховатость обработанной поверхности алмазными кругами на металлической связке с зернистостью 125/100 находится в пределах 0,2…0,4 мкм (рис. 9, б), что вполне приемлемо для большинства деталей машиностроения.
Исследования удельного расхода алмазных кругов свидетельствуют об экстремальном характере зависимостей от электрических параметров: плотности тока правки и плотности тока травления. Расход кругов при комбинированном методе составляет 1,0…1,5 мг/г, что ниже в сравнении с известными, при обычном шлифовании, в 3...4 раза.
На рисунке 10 а, б, в показаны состояние режущей кромки инструмента со стороны передней поверхности (рис. 10, а) и вторичные структуры в составе диборида циркония после шлифования (рис. 10, б, в).
Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что применение комбинированного электроалмазного метода позволяет выполнять шлифование керамических композитов на основе диборида циркония c пониженным в 3...4 раза расходом алмазного круга, по сравнению с традиционным шлифованием.
Установлены рациональные параметры технологии электроалмазного шлифования для керамики на основе ZrB2: скорости резания - Vкр = 35 м/с; продольной подачи Sпр = 0,5…1,5 м/мин; поперечной подачи Sпоп = 0,02…0,05 мм/дв.ход; плотности тока правки алмазного круга iпр = 0,2…0,6 А/см2; плотности тока травления поверхности обрабатываемого изделия iтр = 4…6 А/см2.
Представленные исследования дополняют полученные ранее результаты, хорошо согласуются с результатами работ [17-18], гарантируют качество изготавливаемых изделий из высокопрочных композиционных материалов.
1. Крутский Ю.Л, Гудыма Т.С., Дюкова К.Д., Кузьмин Р.И., Крутская Т.М. Дибориды некоторых переходных металлов: Свойства, область применения и методы получения, Ч. 2. Дибориды хрома и циркония (обзор) // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 6. С. 395–412.
2. Bakshi S. D., Basu B., Mishra S. K. Microstructure and mechanical properties of sinter-HIPed ZrO2–ZrB2 composites // Composites. 2006. Part A 37. P. 2128–2135.
3. Microstructure and mechanical properties of ZrB2–Nb composite / X. Sun.,W. Han, P. Hu [et. al] // Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2010. Vol. 28. P. 472–474.
4. Preparation of ZrB2 based hybrid composites reinforced with SiC whiskers and SiC particles by hot-pressing /D. Chen, L. Xu, X. Zhang [et.al] // Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2009. Vol. 27. P. 792–795.
5. Guo S.-Q. Densification of ZrB2-based composites and their mechanical and physical properties: A review //Journal of the European Ceramic Society. 2009. Vol. 29. P. 995–1011.
6. Степанов И.А., Скрипняк В.А., Андриец С.П и др. Исследование закономерностей уплотнения наноструктурной керамики на основе диборида циркония при горячем прессовании//Ядерная физика и инжиниринг. 2011. Т. 2. No 3. С. 1–16.
7. Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г., Ваганова И.К., Янюшкин А.С., Скрипняк В.В., Лобанов Д.В. Механические свойства наноструктурной керамики на основе диборида циркония// Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. No 7/2. С. 119–123.
8. Лобанов Д.В., Янюшкин А.С., Рычков Д.А., Петров Н.П. Организация инструментального хозяйства при обработке композиционных материалов // СТИН. 2010. № 11. С. 2–4.
9. Рычков Д.А., Скрипняк В.А., Янюшкин А.С., Лобанов Д.В. Разработка технологии подготовки режущего инструмента для обработки слоистых композиционных материалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2014. № 2 (63). С. 6–13.
10. Макаров В.Ф., Волковский А.А., Сабирзянов А.И. Повышение производительности и качества обработки композиционных материалов на основе выбора и рационального применения абразивного инструмент // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 9 (111). С. 40–48.
11. Киричек А.В., Федонин О.Н., Хандожко А.В., Жирков А.А., Соловьев Д.Л., Баринов С.В. Гибридные технологии и оборудование аддитивного синтеза изделий // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 8(134). С. 31–38.
12. Смоленцев В.П., Ненахов Н.Н., Извеков А.А., Стародубцев И.Г. Аддитивные технологии изготовления инструмента для комбинированных методов обработки // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 7(133). С. 3–8.
13. Смоленцев В.П., Кириллов О.Н., Извеков А.А. Расширение области использования в машиностроении комбинированных наукоемких технологий // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2024. Т. 20. № 2. С. 188–192.
14. Болдырев А.И., Усов С.В., Болдырев А.А., Мандрыкин А.В. Экспериментальные исследования технологических возможностей электрохимического формообразования // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т. 10. № 3-1. С. 120–122.
15. Янюшкин А. С. Технология электроалмазного затачивания режущих инструментов и методы ее реализации: монография / А. С. Янюшкин. Старый Оскол: ТНТ, 2013. 336 с.
16. Пат. 2304504 RU, МПК В24В53/00, В23Н3/00. Метод автоматического управления процессом непрерывной электрохимической правки круга и устройство для его осуществления / А. С. Янюшкин, А. А. Сурьев и др.; патентообладатель Братский гос. ун-т. 2010. Заявл. 31.01.05; опубл. 20.08.07, Бюл. 23.
17. Лобанов Д.В., Янюшкин А.С. Технология инструментального обеспечения производства изделий из композиционных неметаллических материалов: Монография / Тонкие наукоемкие технологии. Старый Оскол. 2012. 296 с.
18. Янюшкин А.С., Лобанов Д.В., Батаев В.А., Архипов П.В., Медведева О.И. Исследования работоспособности алмазных кругов при обработке композиционных материалов // Системы. Методы. Технологии. 2010. № 3 (7). С. 87–91.
