книги из ГПНТБ / Сагарда А.А. Алмазно-абразивная обработка деталей машин

Продолжение табл. 1

Предполагается, что условия вдавливания пирамид ма­ ло отличаются от условий вдавливания конусов, поэтому значение коэффициента трения и отношение контактного напряжения к показателю твердости по Бринелю были приняты аналогичными.

Пользуясь предыдущими выводами, можно записать,

Выразив площадь боковой поверхности отпечатка через глубину внедрения конуса, отнесенную к первоначальной поверхности, получим следующее выражение:

для трехгранной пирамиды

для четырехгранной пирамиды

to

корпус 5, закрепленный в оправке 4, вдавливается в об­ разец под действием груза. Держатель с оправкой уста­ новлен на двух плоских пружинах 7, укрепленных на стой­ ках 3.

В процессе микрорезания под действием касательной составляющей усилия резания (Рг) изгибаются плоские, пружины, прогиб которых фиксируется проволочными дат­ чиками.

С помощью рассмотренного прибора с достаточной точ­

X 10 мм из меди, никеля, армко-железа, стали 40Х и У8, закаленных на различную твердость, и твердого сплава ВК6, т. е. были испытаны металлы и сплавы с различными физико-механическими свойствами.

Сравнение глубин царапин и выдавленных тем же на­ конечником отпечатков под действием равных Ру показало, что во всех случаях величина внедрения при микрореза­ нии меньше, чем при вдавливании, что подтверждается так­ же в работах В. Д. Кузнецова [7] и М. М. Хрущова [20], причем физико-механические свойства испытываемых ма­ териалов не оказывали существенного влияния на это отношение. Зависимость значения коэффициента /Сх уменьшения глубины царапины по сравнению с глуби­

При микрорезании пластичных металлов (меди, ни­ келя, армко-железа твердосплавными и алмазными конуса­ ми с углами заострения от 90 до 150° величиной, завися­ щей от формы наконечника, является отношение касатель­ ного усилия Рг к нормальному Ру.

При обработке большого числа опытных данных установ­ лено, что

(П)

где а — угол заострения, выраженный в радианах.

12

КОНТАКТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА И СИЛОВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРИ РЕЗАНИИ АЛМАЗНЫ М ЗЕРНОМ

Исследование контактной температуры ранее произво­ дили посредством измерения термотоков между абразивными зернами из карбида кремния и шлифуемым металлом [8, 12]. Так как алмаз является изолятором, то для полу­ чения термоэффекта были использованы изготовленные в Институте сверхтвердых материалов специальные синтети­ ческие полупроводниковые алмазы.

г

Рис. 4. Схема установки для измерения контактных температур

иусилий резания:

/— оправка с алмазным зерном; 2 ~ образец.; 3 — динамометр; 4 —

Исследования проводились на универсально-заточном станке модели ЗБ642. Схема установки приведена на рис. 4.

Алмазным зерном, зачеканенным и запаянным в оправ­ ку, изолированную от корпуса круга слюдяной проклад­ кой, шлифуют образец, закрепленный в двухкомпонентном динамометре, с помощью которого можно записывать зна­ чения составляющих усилий резания от 20 Г до 10 кГ. При врезании индентора в образец возникающий в контакте термоток подается через токосъемник на универсальный электронный осциллограф С1-15.

14

Наблюдение импульсов на экране осциллографа и фото­ графирование производилось в режиме ждущей развертки с однократным запуском, осуществляемым с помощью син­ хроконтактов, вмонтированных в оправку перед алмаз­ ным зерном.

Синхронно с фотографированием тепловых импульсов производилась запись импульсов нормальной и тангенци­ альной составляющих усилий резания. Глубины канавок

В связи с тем, что при исследовании процесса резания единичным зерном на скоростях шлифования инерцион­ ность измерительной аппаратуры при регистрации импуль­ сов малой длительности имеет первостепенное значение, был разработан и применен метод динамической тариров­ ки динамометра и тензостанции со шлейфовым осцилло­ графом.

В результате исследований была найдена функциональ­ ная зависимость контактной температуры Ѳк и составляю­ щих усилий резания Ру и Рг от глубины резания t (рис. 5). Значение контактной температуры растет до глубины ре­ зания 20 мкм и отношение PzIPg изменяется от 0,27—0,32 в режиме, близком к трению, и до 0,65—0,70 в режиме резания.

Анализируя осциллограмму и график зависимости вели­ чины контактной температуры от скорости резания при по­ стоянной глубине резания (рис. 6), можно сделать вывод

15

•о том, что с увеличением скорости резания до 15—20 м/сек •температура возрастает быстро, а затем ее значение медлен­ но асимптотически приближается к точке плавления обра­ батываемого материала.

При высокой температуре снижается твердость алмаза, повышается его химическая активность, уменьшается стой­ кость. Для уменьшения износа алмазного зерна в таких условиях и получения бездефектного слоя обработанной поверхности необходимо обрабатывать детали либо на ма-

.лых скоростях — до 1 м/сек (хонингование, притирка, су­ перфиниширование), либо на скоростях шлифования, но с малыми глубинами резания при обильном охлаждении зо­ ны резания (доводочное шлифование и доводка инструмента).

ИЗНОС АЛМ АЗО В И АЛМ АЗНОГО ИНСТРУМЕНТА

Работоспособность кругов при шлифовании различных металлов зависит от твердости и вязкости обрабатываемого материала, определяющих величину пластической дефор­ мации в зоне контакта и образование навалов, в результате чего снижается эффективность обработки, изнашивается связка вблизи абразивных зерен.

В качестве критерия обрабатываемости принято отноше­ ние твердости по Виккерсу (НѴ) к прочности (ствр).

Таблица 2

Зависимость отношения НѴ/авр и относительного удельного расхода

алмазов от обрабатываемого материала

В результате анализа данных, приведенных в табл. 2, можно сделать вывод о том, что значения НѴ для’ некото­ рых металлов и сплавов имеют корреляционную связь со

16

значениями относительного удельного расхода алмазов при круглом шлифовании кругами на органической связке с охлаждением.

Т. Н. Лоладзе и Г. В. Бокучава [8] предложили мето­ дику оценки качества связки алмазных кругов, которая заключается в сопоставлении удельного расхода алмаза при резании единичным зерном без участия связки (q3) и удель­ ного расхода алмазного инструмента (<7К) при тех же усло­ виях резания.

Отношение qs/qK характеризует качество связки для каждого конкретного случая обработки. Идеальной связ­ кой является та, для которой это отношение близко к еди­ нице. Как показывает опыт применения лучших корундо­ вых кругов на керамической связке, имеющей прочную хи­ мическую связь с корундовыми зернами, это отношение составляет 0,25—0,3, т. е. в круге используется до 30% по­ тенциальных режущих свойств корундовых зерен. Таким образом, в применяемых в настоящее время абразивных кругах режущие свойства абразивных зерен используются не полностью.

При сравнении значений q3 и qK, полученных в процессе обработки различных материалов алмазным кругом на ба­ келитовой связке и единичными алмазными зернами заме­ чено, что при шлифовании твердого сплава ВК8 алмазным кругом на бакелитовой связке используется около 8%, при шлифовании сталей — примерно 4%, а при обработке чу­ гуна — не более 2% потенциальных режущих свойств ал­ мазных зерен. В большинстве случаев из-за несовершенства связки в лучшем случае используется не более 5—10% по­ тенциальных режущих возможностей алмазных зерен шли­ фовального круга. Большая часть (более 90%) алмазных зерен не участвует в полезной работе, вырывается из связ­ ки и разрушается. Выпадание алмазных зерен из связки является одним из наиболее существенных видов износа кругов. Причиной такого износа является недостаточное удержание зерен связкой. При этом значительно ослабева­ ет зона вблизи выпавших зерен, снижается количество рабо­ тающих зерен, что приводит к интенсивному выпаданию их.

Одним из путей повышения степени удержания зерен алмазов и кубического нитрида бора связкой является ме­ таллизация зерен, т. е. покрытие зерен пленкой металла. При шлифовании кругами из металлизированных алмазов количество работающих зерен увеличивается.

При сравнении работоспособности кругов из обычного и металлизированного кубонита в кругах на органической связке в процессе шлифования стали Р18 установлено, что удельный расход металлизированного кубонита при про­ изводительности шлифования от 60 до 120 мм3/мин пример­ но в два раза ниже обычного. Дальнейшее увеличение производительности шлифования приводит к резкому повы­ шению удельного расхода обычного кубического нитрида бо­ ра (кубонита), в то время как расход металлизированного повышается в значительно меньшей степени. Кроме того, прочность металлизированных зерен выше, чем прочность обычных.

В настоящее время круги из синтетических алмазов и кубического нитрида бора на органических и металличе­ ских связках изготавливают, как правило, из металлизи­ рованных зерен.

При высокой степени удержания зерен связкой работо­ способность и стабильность работы кругов зависят от соот­ ветствия износа связки и зерен при условии самозатачива­ ния не только самого круга, но и отдельного зерна.

Качество алмазно-абразивного инструмента в значитель­ ной степени зависит от режущих свойств алмазных зерен и их износостойкости в различных условиях обработки. К материалу абразивных зерен предъявляются два основ­ ных требования — достаточная прочность и высокая из­ носостойкость.

Режущая часть зерен абразивного инструмента может претерпевать хрупкое и пластическое разрушение. Хруп­ кое разрушение режущей части наступает в том случае, когда максимальные напряжения в какой-либо точке до­ стигают предела прочности абразивного материала. Это про­ исходит тогда, когда толщина среза, снимаемая отдельными зернами, превышает определенное значение.

При анализе результатов экспериментальных исследо­ ваний предельных толщин среза, снимаемых отдельными аб­ разивными зернами, по методике, приведенной в работе [8], установлено, что для природных алмазных зерен и зе­ рен синтетических алмазов АСС при шлифовании легиро­ ванного жаропрочного сплава предельные толщины среза в среднем составляют 15—20 мкм, а для корундовых и карбо­ рундовых зерен — 1—2 мкм. Предельные толщины среза для марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС соответственно уве­ личиваются по мере повышения прочности зерна. Поэтому

18

алмазные инструменты, применяемые при обработке вы­ сокопрочных материалов с большим сопротивлением срезу, во избежание интенсивного хрупкого разрушения алмаз­ ных зерен целесообразно изготавливать из синтетических алмазов АСС и АСК или из природных алмазов. При сред­ них и низких удельных нагрузках хорошие результаты об­ работки получаются при использовании инструментов с алмазными зернами АСВ, АСР, АСО.

На первый взгляд может показаться необычной возмож­ ность пластического разрушения таких хрупких материа­ лов, как абразивные. Однако известно, что понятие хруп­ кость и пластичность относительны и зависят от темпера­ туры и характера нагружения.

Пластическое разрушение материала наступает тогда, когда напряжение на каком-либо участке его достигает пре­ дела текучести. В условиях резания максимальные каса­ тельные напряжения развиваются в области контакта. По­ этому пластическая деформация в условиях шлифования может возникать в основном вдоль контакта по задней по­ верхности.

Коэффициент запаса прочности при пластической дефор­ мации для условий абразивной обработки при высоких скоростях шлифования может быть приближенно опреде­ лен по формуле

(12)

где Н„ — твердость абразивного материала в контактных слоях при температуре шлифования; Нф— твердость обра­ батываемого материала по условной плоскости сдвига.

Если пт> 1, пластическая деформация не происходит и режущая кромка абразивного зерна не разрушается. Если nt •< 1, контактные слои абразивного материала пла­ стически деформируются и происходит срез абразивного зерна.

В результате анализа кривых зависимости твердости от температуры, а также результатов расчетов пт установле­ но, что коэффициент запаса прочности в условиях пласти­ ческой деформации алмаза при обработке стали, титана, жаропрочного сплава, когда температура контакта прибли­ жается к температуре плавления обрабатываемого материа­ ла, значительно больше единицы. Поэтому можно сделать вывод, что пластическое разрушение алмаза при любых