Підвищення продуктивності алмазного шліфування твердих сплавів за рахунок раціонального використання різальних властивостей круга - Автореферат

Особливості структури і фізико-механічних властивостей твердих сплавів не дозволяють теоретично вести розрахунок сил різання з метою визначення режимів обробки на основі припущення, що оброблюваний матеріал є однорідним та ізотропним. Ідея роботи полягає в раціональному використанні різальної здатності РПК відповідно до закону її зміни в процесі шліфування і періодичного відновлення різальної здатності за допомогою електроерозійних дій на робочу поверхню круга. провести експериментальні дослідження зміни поточної лімітованої різальної здатності круга, яка обмежена температурою окислювання алмаза, а також встановити закон зміни поточної лімітованої різальної здатності круга у процесі електроерозійних дій на РПК одночасно з шліфуванням твердого сплаву; Вперше встановлено, що шліфування з періодичними електроерозійними діями на робочу поверхню круга можна представити у вигляді чергування циклів - «шліфування - шліфування з електроерозійними діями», які описуються різними законами зміни поточної лімітованої різальної здатності круга. Встановлено, що зміна поточної лімітованої різальної здатності круга при обробці твердих сплавів марок ВК6, ВК8, ВК15 кругом марки АС6 описується єдиною для приведених марок сплавів експоненціальною залежністю, а підвищення поточної лімітованої різальної здатності круга у процесі електроерозійних дій водночас з обробкою заготовки - лінійним законом.

За результатами досліджень по темі дисертації опубліковано 12 основних робіт, з яких 11 - у фахових виданнях і один патент України. Одна стаття підготовлена одноосібно, 11 статей і 1 патент - в співавторстві.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 242 сторінки, з них 55 ілюстрацій, 27 таблиць, 113 використаних літературних джерел на 12 сторінках і 6 додатків на 51 сторінці.

2. Основний зміст

В першому розділі „Аналіз сучасних способів підвищення продуктивності шліфування твердих сплавів” проведений аналіз особливостей структури твердих сплавів, способів їх обробки і призначення оптимальних режимів шліфування.

Аналіз структури твердих сплавів і їх фізико-механічних властивостей дозволив встановити наступні особливості: - неоднорідність матеріалу, яка обумовлена тим, що твердий сплав складається з порошків карбідів тугоплавких матеріалів і кобальтової звязки, причому порошки карбідів мають розміри, які є близькими до товщини зрізу одиничним зерном;

- відсутність прямо-пропорційного звязку величини дотичних напружень ts з величиною мікротвердості твердого сплаву (збільшення мікротвердості не збільшує ts), як це має місце при обробці пластичних матеріалів. Навпаки, сили різання збільшуються, коли мікротвердість твердого сплаву зменшується;

- утворення стружки надлому, що зменшує внесок геометричного фактора у формування параметрів поперечного перерізу одиночного зрізу.

Сьогодні основним способом шліфування твердих сплавів є алмазне шліфування з електроерозійними діями на робочу поверхню круга. Інструментом у цьому випадку служать алмазні круги на металевій звязці, а забезпечення високої різальної здатності робочої поверхні круга здійснюється електроерозійними діями на РПК. При використанні коштовного алмазного інструменту обробку необхідно здійснювати на таких режимах, при яких виключається підвищений знос алмазів і в той же час забезпечується висока продуктивність і стабільна якість обробки. Останнє може бути досягнуте за рахунок використання пружної схеми шліфування, а збільшення продуктивності та виключення підвищеного зносу - обробленням з оптимальним зусиллям притискання заготовки до РПК.

У звязку з викладеним вище поставлені мета і задачі досліджень, які наведені в загальній характеристиці роботи.

У другому розділі „Методологія та методика експериментальних досліджень. Обладнання, інструмент та оброблювані матеріали” описані методологія і методики експериментальних досліджень, обладнання, яке використовувалося, пристрої, інструмент і оброблюваний матеріал.

Алмазне шліфування твердих сплавів марок ВК6, ВК8, ВК15 кругами 1А1 250?76?16?5 АС6 100/80-4-М2-01, АС6 160/125-4-М2-01, АС6250/200-4-М2-01 з періодичним електроерозійним впливами на РПК здійснювали на модернізованому плоскошліфувальному верстаті мод. 3Д711АФ11 з використанням джерела технологічного струму мод. ИТТ-35 і спеціального пристрою для пружного підтиску зразка до РПК.

Робоче середовище - 0,3%-й водний розчин кальцинованої соди.

Визначення кількості зшліфованого матеріалу, кількості вилученого алмазовмісного шару виконували на спеціальних пристроях за відомими методиками. Параметр шорсткості поверхні зразків Ra вимірювали на профілометрі моделі 283 заводу «Калібр», температуру на поверхні зразка - методом напівштучної термопари.

В третьому розділі „Розрахунок припустимих сил притиснення зразка до робочої поверхні круга при шліфуванні твердих сплавів” визначені тангенціальна сила різання Pz на крузі та максимально припустиме зусилля притискання зразка до РПК Рп які обмежені температурою окислювання алмазних зерен при шліфуванні за пружною схемою.

Перед визначенням температури на алмазному зерні введено поняття „поточна лімітована різальна здатність круга”, яка характеризує максимальну продуктивність шліфування у будь-який момент часу, при цьому задовольняються умови, яки накладені лімітуючим технічним обмеженням.

Температура на алмазному зерні виникає внаслідок перетворення механічної роботи в теплоту, яка надходить у зерно з боку його площадки контакту з поверхнею різання на заготовці і частково відводиться через поверхню контакту зерна з металевою звязкою. Щоб визначити температуру на площадці контакту зерна з поверхнею різання, застосуємо формулу для плоского джерела тепла з рівномірно розподіленою інтенсивністю q, яке діє в термін t на торці стрижня обмеженої довжини h і довільної форми перетину.

При теплофізичному аналізі обмежимося розрахунком, виконаним стосовно до зерен найбільш ймовірного розміру, представивши кожне з них моделлю у вигляді циліндра з діаметром основи d і висотою h. Висоту циліндра приймемо рівної діаметру основи.

Геометричні параметри циліндричної моделі зерна розраховуємо з умови рівності обємів шарової моделі Vш і циліндричної моделі Vц зерна.

Формула для визначення максимально припустимої сили Pz на одиничному зерні, при якій окислювання алмаза буде відсутнє (Тдоп = 0,95Ток), прийме вигляд

, Н, (1) де Ток - температура, при якій починається окислювання алмаза; l1 - коефіцієнт теплопровідності алмаза; l - коефіцієнт теплопровідності оброблюваного матеріалу; F0 - тривалість часу контакту зерна з кругом (критерій Фурє); d - діаметр основи циліндричної моделі зерна; w1 - коефіцієнт температуропровідності алмаза; Vk - швидкість круга; l - довжина дуги контакту зерна з деталлю; А* - вираз, знайдений за відомими залежностями.

Середню силу на алмазних зернах, які беруть участь у роботі, знаходимо, розділивши максимальну силу на зерні Pz, визначену за формулою (1), на коефіцієнт нерівномірності навантаження зерен d: , Н. (2)

Сила різання на шліфувальному крузі ставить добуток середньої сили на одиничному зерні на кількість зерен, які одночасно знаходяться в контакті з поверхнею різання.

З урахуванням кількості різальних зерен на одиниці поверхні круга загальна сила на шліфувальному крузі Pzk буде дорівнювати

, Н, (3) де b - ширина шліфування, м; l - довжина дуги контакту, м.

Максимально припустиму силу підтиску зразка до РПК визначимо, скориставшись коефіцієнтом шліфування кш, який представляє собою відношення тангенціальної складової сили різання до радіальної складової

.

Після визначення припустимої сили підтиску по температурі, яка виключає окислювання алмаза, перевіримо, яка температура у цьому випадку виникає на обробленій поверхні Тпз.

, де qз - щільність теплового потоку, що надходить у заготовку, Qmax - максимальне значення безрозмірної температури на температурному полі поверхні заготовки; Vд - швидкість заготовки.

Температура на поверхні заготовки, яка розрахована за формулою (4) дорівнює 495K і є меншою від температури, яка обумовлює появу дефектів на шліфованій поверхні заготовки, а саме 873K.

Температура на поверхні заготовки, яка знайдена з використанням методу напівштучної термопари, дорівнювала 424±14K. Температура, що розрахована за формулою (4), попадає у 95%-вий довірчий інтервал на середню величину, знайдену експериментально.

В четвертому розділі „Дослідження впливу часу шліфування твердих сплавів на різальну здатність алмазного круга” досліджено вплив марок оброблюваного матеріалу на середньоарифметичне відхилення профілю обробленої поверхні Ra, вплив часу обробки на коефіцієнт шліфування кш твердого сплаву ВК15, вплив часу обробки на поточну лімітовану різальну здатність круга при шліфуванні твердих сплавів. Визначено закон зміни лімітованої різальної здатності круга при електроерозійних діях на РПК одночасно зі шліфуванням зразка з твердого сплаву ВК6 за пружною схемою.

Зусилля підтиску зразків із твердих сплавів ВК6, ВК8, ВК15 до РПК при врізному шліфуванні кругом 1А1 250?76?15?5 АС6 100/80-4-М2-01 (температура окислювання алмазного зерна Ток = 775° С) розраховували за формулою (3) для умов обробки: швидкість круга Vk = 35 м/с, швидкість деталі Vд = 6 м/хв, ширина зразків b = 12 мм. Зусилля підтиску зразків із зазначених твердих сплавів до робочої поверхні круга, які забезпечують відсутність окислювання алмаза, відповідно складали 72 Н, 67 Н, 72 Н.

Зміна поточної лімітованої різальної здатності круга при шліфуванні сплавів ВК6, ВК8, ВК15 описується експоненціальною залежністю, єдиною для трьох марок. Узагальнене рівняння поточної лімітованої різальної здатності круга, яке отримане методом найменших квадратів, має вигляд: , мм3/хв.

Як показали оптичні спостереження РПК, зниження її різальної здатності зі збільшенням часу шліфування обумовлене зниженням різновисотності зерен за рахунок випадіння найбільш виступаючих зерен зі звязки на першій хвилині шліфування та утворення контактних площадок на вершинах зерен.

Підвищення поточної лімітованої різальної здатності круга, яке обумовлене електроерозійними діями на РПК, що здійснюється одночасно зі шліфуванням зразка, описується лінійним законом виду: , мм3/хв.

В пятому розділі „Дослідження впливу часу між електроерозійними діями на РПК на собівартість алмазного шліфування твердих сплавів” розроблена методика теоретико-експериментального розрахунку оптимального часу між періодичними електроерозійними діями на РПК за критерієм мінімальної питомої собівартості алмазного шліфування твердих сплавів.

Питома собівартість представляє собою відношення собівартості обробки за час шліфування до обєму матеріалу, який зшліфовується за цей же період часу.

Зміну поточної лімітованої різальної здатності круга за годину шліфування з періодичними електроерозійними діями на РПК, які здійснюються одночасно з обробкою деталі представимо як чергування різних періодів

Проміжок часу 0…t1 є часом роботи шліфувального круга до початку електроерозійних дій. Він містить період приробки 0…тпр, який характеризується швидкою втратою поточної лімітованої різальної здатності і період 1, (тпр…t1), коли різальна здатність круга продовжує зменшуватися з меншою інтенсивністю.

Зміна поточної лімітованої різальної здатності круга на проміжку 0…t1 описується експоненційною залежністю, яка знаходиться при шліфуванні за пружною схемою за експериментальними даними: , (5) де Q, Qисх, Qct - відповідно поточна, вихідна і стала різальна здатність мм3/хв; DQ = Qисх - Qct - амплітуда зниження поточної лімітованої різальної здатності, мм3/хв; BQ - емпіричний коефіцієнт, 1/хв; t - тривалість шліфування, хв.

Під час періоду 2 поточна лімітована різальна здатність РПК збільшується в результаті електроерозійних дій, як встановлено нами, за прямолінійною залежністю. З метою скорочення часу відновлення різальної здатності РПК, електроерозійні дії на робочу поверхню круга здійснюються на максимальних електричних режимах, які допускає використовуване джерело технологічного струму.

Рівняння прямої, що описує підвищення поточної лімітованої різальної здатності РПК у результаті електроерозійних дій, має вигляд: .

Щоб виключити підвищення витрат алмазів, електроерозійні дії на РПК припиняються, коли різальна здатність круга буде дорівнювати поточній лімітованій різальній здатності круга наприкінці періоду приробки.

Час електроерозійних дій, які необхідні для відновлення РПК, знаходиться за формулою: , хв, де Vac - обєм алмазовмісного шару, який видаляється за час електроерозійних дій, мм3; Іср - максимальна сила струму електроерозійних дій, А; C - коефіцієнт, який отримано експериментально; Usm - розрахункове значення електричної напруги на проміжку між поверхнею РПК та електрода-інструмента в процесі електроерозійних дій, В.

Для стійкого утримання зерна в звязці воно повинно виступати з неї на 1/3 діаметра шарової моделі зерна, а умова, коли зерно випадає зі звязки, характеризується заглибленням у неї на 1/3 діаметра. Виходячи з цього обєм алмазовмісного шару Vac, який підлягає видаленню для відновлення різальних властивостей РПК, визначається за формулою: , мм3, де dcp - діаметр шарової моделі зерна, мкм; Вк - ширина круга, мм; Dk - діаметр круга, мм; Pv - обємна частка алмаза в алмазовмісному шарі; K - відносна концентрація алмазів, %.

Період 3, який по тривалості дорівнює часу між електроерозійними діями Т, характеризується зниженням поточної лімітованої різальної здатності РПК, яка описується формулою (5), при підстановці в неї часу тпр та (тпр Т).

Період 4 характеризується підвищенням поточної лімітованої здатності круга в результаті електроерозійних дій (ЕЕД) за лінійною залежністю.

Значення коефіцієнту та вільного члену рівняння прямої для періоду 2 і 4 знаходяться з використанням двох кінцевих значень поточної лімітованої різальної здатності РПК.

Періоди 3 і 4 повторюються, утворюючи цикли - «шліфування -шліфування з електроерозійними діями», кількість яких повинна бути цілими числами. Цілу кількість циклів Nц, за винятком першого, за годину оброблення визначають за формулою: , (6) де Т - час між електроерозійними діями, хв; теед - тривалість електроерозійних дій на РПК, хв.

Час тк, при якому закінчується останній цілий цикл, знаходимо із залежності

.

Тривалість неповного циклу А, який залишився, .

Загальну кількість зшліфованого матеріалу визначаємо в залежності від величини неповного циклу А, який залишився. Якщо 0 < А < Т, тоді

(7)

Якщо А > Т , то загальна кількість зшліфованого матеріалу визначається за формулою:

У перший період (0 - тпр, тпр - t1), а також у наступних непарних періодах, собівартості шліфування є однаковими і розраховуються по за формулою витрат, яка містить: хвилинну заробітну плату шліфувальника Зом, амортизаційні відрахування Am, витрати на поточний ремонт і амортизацію устаткування Ртм, витрати на технологічну електроенергію Ешл. Собівартість обробки для даних періодів у кожен момент часу визначається за формулою:

, (9) де t1 - тривалість шліфування на першому періоді до початку електроерозійних дій, хв.

На другому періоді (t1 -t2) і наступних парних періодах собівартості шліфування є також однаковими, а до витрат на шліфування додаються витрати на електроенергію для відновлення різальних властивостей РПК Еупр і витрати на відшкодування зносу алмазного інструмента Ім. Собівартості обробки для даних періодів у кожен момент часу визначаються за формулою: . (10)

Загальна собівартість шліфування цілих циклів, які утворилися за час оброблення, знаходяться шляхом помноження суми собівартостей першого та другого періодів, які утворюють цикл «шліфування - шліфування з електроерозійними діями», на кількість циклів, яка збільшена на одиницю. Тому, з урахуванням (9), (10), загальна собівартість шліфування на цілих циклах визначається за формулою: . (11)

Загальна собівартість шліфування з урахуванням неповного циклу визначається в залежності від величини неповного цикла А, який залишився.

Якщо 0 < А < Т, то загальна собівартість шліфування за годину оброблення визначається за формулою

. (12)

Якщо А > Т , то загальна собівартість шліфування за годину обробки розраховується за формулою

.(13)

З використанням розробленої програми на ПЕОМ, яка описує наведений розрахунок, був визначений оптимальний час між електроерозійними діями на РПК при шліфуванні сплаву ВК8 кругом марки АС6 100/80 4М2-01 на режимах, що виключають окислювання алмаза. Він дорівнює 24 хв.

В шостому розділі „Визначення оптимальних режимів шліфування твердих сплавів марки ВК та періодичності електроерозійних дій на РПК в автономній зоні” запропонований новий спосіб шліфування твердих сплавів, коли глибина шліфування за жорсткою схемою задається перемінною відповідно до зміни поточної лімітованої різальної здатності при обробленні за пружною схемою, розроблений технологічний регламент на процес алмазного шліфування твердих сплавів ВК6, ВК8, ВК15, який містить схему модернізації обладнання для здійснення шліфування з електроерозійними діями на РПК і рекомендації з призначення механічних та електричних режимів обробки вказаних твердих сплавів.

Результати досліджень впроваджені на ВАТ „Рутченківський завод „ГІРМАШ””, що дозволило забезпечити задану якість обробки, виключити появу браку, викликаного утворенням тріщин на обробленій поверхні. Очікуваний річний економічний ефект становить 120000 грн. Матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі.

Основні висновки

У результаті виконаних досліджень вирішена важлива народногосподарська та наукова задача, яка полягає в підвищенні продуктивності шліфування твердих сплавів на 10-50% і зниженні питомої собівартості обробки 9-10% за рахунок визначення оптимальних режимів шліфування за пружною схемою з використанням закону зміни поточної лімітованої різальної здатності круга в часі.

1. Вперше введене поняття «поточна лімітована різальна здатність круга», що оцінюється кількістю зшліфованого матеріалу в одиницю часу з урахуванням лімітуючого технічного обмеження.

2. Вперше аналітично визначена максимально припустима сила підтиску зразка з твердого сплаву до робочої поверхні круга, яка забезпечує відсутність окислювання алмазних зерен і дефектів на обробленій поверхні (тріщин), а також максимальну продуктивність шліфування твердих сплавів.

3. Встановлено, що зміна поточної лімітованої різальної здатності круга при обробці твердих сплавів ВК6, ВК8, ВК15 кругом із алмазів АС6 описується єдиною для наведених марок сплавів експоненціальною залежністю, а підвищення поточної лімітованої різальної здатності круга у процесі електроерозійних дій одночасно з обробкою заготовки - лінійним законом.

4. Встановлено, що шліфування з періодичними керуючими діями на робочу поверхню круга можна представити у вигляді чергування циклів - «шліфування - шліфування з електроерозійними впливами».

5. Вплив часу між електроерозійними діями на РПК на питому собівартість обробки носить екстремальний характер з мінімумом у точці екстремума. Оптимальний час між електроерозійними діями на РПК для марки твердого сплаву ВК8 складає 24 хв.

6. Найбільша продуктивність обробки твердих сплавів забезпечується при шліфуванні за пружною схемою з періодичними електроерозійними діями на РПК. У цьому випадку, підвищення продуктивності обробки в порівнянні з алмазним шліфуванням за жорсткою схемою з постійною глибиною різання складає 50%.

7. При шліфуванні за жорсткою схемою глибину шліфування рекомендується задавати перемінною відповідно до зміни поточної лімітованої різальної здатності круга, що забезпечує підвищення продуктивності на 10% у порівнянні з алмазним шліфуванням з постійною глибиною різання.

8. Впровадження технологічного регламенту на ВАТ Рутченківський завод „ГІРМАШ” дозволило забезпечити задану якість обробки при заточуванні твердосплавних напаяних інструментів, різальних елементів робочих органів вугільних комбайнів, виключити появу браку, який викликаний утворенням тріщин на обробленій поверхні, а очікуваний річний економічний ефект при видалені припуску обємом 109 мм3 складе 120000 грн.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Цокур В.П., Стрелков В.Б, Хохлов А.А. Модернизация шлифовальных станков для осуществления обработки с электроэрозионным управляющим воздействием на рабочую поверхность круга// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научн. трудов. - Донецк: ДОНГТУ, 2001. - Вып.15. - С. 258-262.

2. Цокур В.П., Стрелков В.Б., Кривошапка А.А. Исследование сил резания при алмазном шлифовании твердого сплава ВК-15// Машиностроение и техносфера XX1 века. Сборник трудов междунар. науч.-техн. конференции в г. Севастополе 9-15 сентября 2002 г. В 3-х томах. -Донецк: ДОННТУ, 2002. - Т.3. - С. 98-101.

3. Матюха П.Г., Цокур В.П., Стрелков В.Б Исследование влияния марки обрабатываемого материала на параметр шероховатости обработанной поверхности// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Междунар. сб. науч. трудов. -Донецк: ДОННТУ, 2003. - Вып. 24. - С. 98-102.

4. Стрелков В.Б., Полтавец В.В., Цокур В.П. Влияние времени обработки на производительность алмазного шлифования поупругой схеме твердых сплавов группы ВК// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. -Донецьк: ДОННТУ, 2004. - Вип. 71.- С. 56-62.

5. Матюха П.Г., Стрелков В.Б. Определение силы поджима образца к кругу, ограниченной температурой графитизации алмазных зерен// Наукові праці Донецького національного університету. Серія : Машинобудування і машинознавство. - Донецьк: ДОННТУ, 2004. - Вип. 71. - С. 41-46.

6. Матюха П.Г., Стрелков В.Б., Полтавец В.В. Определение режимов плоского врезного шлифования твердых сплавов с использованием нового понятия о текущей лимитированной режущей способности круга// Сверхтвердые материалы. - 2004. - № 3. - С. 67-73.

7. Стрелков В.Б. Определение себестоимости алмазного шлифования твердых сплавов при периодических электроэрозионных воздействиях на РПК// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. - Донецьк: ДОННТУ, 2005. - Вип. 92. - С. 134-143.

8. Матюха П.Г., Стрелков В.Б. Расчет объема сошлифованного материала в процессе алмазного шлифования твердого сплава ВК8 с периодическими электроэрозионными воздействиями на рабочую поверхность круга// Сверхтвердые материалы. - 2005. - № 1. - С. 51-57.

9. Матюха П.Г., Стрєлков В.Б., Полтавець В.В. Дослідження закономірностей зміни різальної здатності круга при алмазному шліфуванні та в процесі електроерозійних дій на робочу поверхню круга при обробленні твердих сплавів// Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - Вип. 18. - С. 25-36.

10. Матюха П.Г., Стрєлков В.Б., Полтавець В.В Определение оптимальных режимов при алмазном шлифовании твердых сплавов// Надежность инструмента и оптимизация технологических систем. Сборник научных трудов. - Краматорск - Киев, 2006. - Вып. № 19. - С.50-57.

11. Матюха П.Г., Полтавец В.В., Стрелков В.Б., Определение оптимального интервала времени между электроэрозионными воздействиями на рабочую поверхность круга при алмазном шлифовании твердого сплава// Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. - Донецьк: ДОННТУ, 2006. - Вип. 31. - С. 203-209.

12. Патент України на винахід №51396 А В23В 1/00.Спосіб шліфування / П.Г.Матюха, В.В.Полтавець, В.Б.Стрєлков. - Опубл. Бюл. № 11, 15. 11. 2002.