Шепелєв Анатолій Олександрович. Інтенсифікація процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами із синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора

brief description

Шепелєв Анатолій Олександрович. Інтенсифікація процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами із синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора : Дис... д-ра наук: 05.03.01 2002

Шепелєв А. О.Інтенсифікація процесів шліфування інструментальних матеріалів кругами із синтетичних алмазів і кубічного нітриду бора. — Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 — процеси механічної обробки, верстати та інструменти. — Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2002.
Дисертація присвячена розвитку наукових основ інтенсифікації процесів шліфування інструментальних матеріалів на основі виділення як основного фактора впливу — кінематики процесу шліфування інструментами з надтвердих матеріалів. Це забезпечило реалізацію спрямованого вібраційно-прецесійного ефекту в процесі обробки і досягнення за рахунок оптимізації технологічної шліфувальної системи підвищення продуктивності шліфування до 500010000 мм3/хв. Науковою основою нової технології є вперше створена кінематична схема процесу вібропрецесійного шліфування, яка забезпечує створення поверхонь різання з квазірегулярним мікрорельєфом. Встановлені кінематичні моделі поверхонь шліфувальних кругів із НТМ та основні закономірності параметрів вібропрецесійного шліфування. Вони визначають оптимальні показники працездатності кругів із НТМ у діапазоні низькочастотних коливань. Розроблені та науково обґрунтовані нові високопродуктивні технології шліфування інструментальних матеріалів та створені конкурентноздатні на світовому рівні шліфувальні круги з спеціальним функціонально-орієнтованим робочим шаром із НТМ.

У результаті виконаних експериментально-аналітичних досліджень на основі системного підходу, інтегральної оптимізації тріади технологічної системи «процес шліфування — шліфувальні круги — режими шліфування» вирішена науково-технічна проблема значної інтенсифікації механообробки і підвищення її якості, що включає інтенсифікацію процесів шліфування інструментальних матеріалів, розробку високопродуктивних технологій і підвищення конкурентноздатності інструментів з НТМ зі спеціальним функціонально-орієнтованим робочим шаром, яка для інструментального виробництва є ключовою задачею і має пріоритетне значення для машинобудування та інших видів виробництва.

Основу концептуальної моделі інтенсифікації процесів шліфування складає обґрунтування можливості оптимізації кінематики абразивного шліфування інструментами з НТМ. За рахунок спрямованої інтегральної взаємодії функціональних елементів технологічної шліфувальної системи можливо значно (у 23 рази) збільшити продуктивність абразивної обробки при високій якості виготовлення деталей. Розроблений, вивчений і застосований новий процес вібраційно-прецесійного шліфування, що базується на сполученні ефектів природної вібрації і неминучої прецесії шпинделя в процесі обробки. Ефективно реалізоване відоме теоретичне положення про те, що процес шліфування переважно є вібраційним і, як метод абразивної обробки, базується на використанні імпульсних сил різання.
Виявлено нові закономірності процесу алмазного шліфування твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю і визначені умови, при яких алмази як інструментальний абразивний матеріал визначають ріжучу здатність, продуктивність і зносостійкість кругів, силові і температурні характеристики процесів шліфування. Встановлено експериментальну залежність граничної товщини шару матеріалу, що знімається окремим алмазним зерном. Показано, що знос інструментальних композитів (зв'язок) кругів і марок алмазів при шліфуванні твердих сплавів і твердих сплавів спільно зі сталлю впливає на процес шліфування. Так, марки алмазів характеризуються оптимальною величиною шару, що зрізається, при якому одиничне зерно максимально використовується. Збільшення міцності шліфпорошків алмазів підвищує припустиму товщину зрізу, що приходиться на зерно.
Встановлено закономірну залежність показників працездатності алмазних кругів з металевих і полімерних композитів (зв'язок) при багатопрохідному і глибинному шліфуванні від виду покриття й абразивності алмазів, а також від конструкції робочого шару кругів. Показано, що оптимізаційні рішення підвищення ефективності зазначених процесів шліфування досягли граничних значень: рівень продуктивності шліфування інструментальних матеріалів не перевищує 10003000 мм3/хв, а ефективна потужність шліфування досягає 35 кВт.
Встановлено, що в процесах багатопрохідного і глибинного шліфування на робочому шарі шліфувальних кругів із НТМ утворюється функціональна ріжуча поверхня, форма і геометричні параметри якої визначають продуктивність та якість обробки. Виявлено взаємозв'язок параметрів ріжучої поверхні з характеристиками кругів із НТМ і режимами шліфування. Так, оптимальна швидкість різання залежить від площі контакту круга з оброблюваною поверхнею, а також марки, зернистості і концентрації алмазів. Оптимальне співвідношення подовжньої і поперечної подач визначається співвідношенням SподхSпоп0,2.
Встановлено, що формування поверхневого шару робочих поверхонь і мікрогеометрії ріжучої кромки твердосплавних інструментів визначається факторами, що характеризують одиничні зрізи алмазного зерна. Оптимізація умов формування поверхонь і різальної кромки призводить до досягнення шорсткості поверхонь Rа 0,100,30 мкм, зазубреності і радіусу округлення різальної кромки 3-10 мкм. Зміну фізичного стану поверхневого шару визначають показники міцності різальної кромки на мікросколювання (ВК6, sмкс=9301250 МПа) і межі міцності на вигин твердих сплавів (ВК6, sи=17001900 МПа). Знос і міцність різальної кромки твердосплавного інструмента залежать в основному від таких характеристик шліфувального круга: зв'язка, марка і зернистість алмазів; при зміні режимів шліфування міцність різальної кромки міняється незначно, у т.ч. при глибинах шліфування порядку 0,51 мм. Характерно, що в поверхневому шарі, як правило, формуються залишкові напруги тиску (Т15К6, s1+s2=21004200 МПа).
Вперше розроблена кінематична схема процесу вібраційно-прецесійного шліфування, що забезпечує утворення поверхонь різання з квазірегулярним мікрорельєфом. Передня опора шпиндельного вузла моделюється у вигляді квазішарнирного механізму, а задня опора розташовується в пружному силовому просторі. За програмний пристрій прецесійного руху застосований кінематичний механізм, що відслідковує обертальний рух шпинделя. Оригінальне рішення дозволило реалізувати метод вібраційно-прецесійного шліфування без використання зовнішніх джерел коливань для інтенсифікації процесу шліфування.
Кінематичний аналіз технологічної шліфувальної системи в тривимірному просторі дозволив представити шпиндельний вузол як багатоланковий циклічно діючий механізм, що забезпечує певний заданий аксоїд інтегрального руху шліфувального круга. Встановлено вплив параметрів шпиндельного вузла на його кінематичні характеристики, що визначають амплітуду руху в напрямку подовжньої подачі в результаті дії ефекту вібрації й амплітуду руху в напрямку поперечної подачі в результаті дії ефекту прецесії. Виконано оптимізацію схеми керування, відповідно до якої значення регуляторів знаходяться у визначеній функціональній послідовності. Установлено, що якщо геометрична вісь шпиндельного вузла розташовується векторно до подовжньої подачі, то цим визначається формування ріжучих поверхонь шліфувальних кругів. Зміни параметрів вібропрецесійного шліфування характеризують оптимальні показники працездатності кругів із НТМ у діапазоні низькочастотних коливань.
Значимим параметром процесу вібропрецесійного шліфування є амплітуда вібропереміщення (коливань) шпиндельного вузла (шліфувального круга), оптимальне значення якої знаходиться в діапазоні 25 мкм.
Кінематичні моделі функціональних ріжучих поверхонь шліфувальних кругів із НТМ визначають показники процесу вібропрецесійного шліфування, що дозволяє реалізувати адаптивну систему для керування даним процесом і досягти підвищення продуктивності і зниження ефективної потужності шліфування.
При вібраційно-прецесійному шліфуванні твердих сплавів досягнуто значення добутку SподхSпоп1. Даний процес характеризується значно меншою ефективною потужністю шліфування, значення якої не перевищують 1,5 кВт, що в багато разів менше, ніж для відомих процесів алмазно-абразивної обробки. Це пояснюється кінематичною умовою оптимальності кількості алмазних зерен розміщених на одиниці ріжучій поверхні шліфувального круга за рахунок прецесійного ефекту при шліфуванні.
Розроблено новий клас шліфувальних кругів з алмазо- і кубонітовміщуючих металополімерних композитів, виготовлених за технологією програмувального спікання. Композити (зв'язки марок В2-01-1) на основі системи «НТМ-полімер-метал-наповнювач» характеризуються високим ступенем однорідності інтегральної структури ріжучої поверхні при якій досягається анізотропія не більш 2%. Ефективна потужність шліфування при цьому знижується в 24 рази, підвищується зносостійкість кругів у 1,41,8 рази.
Створені шліфувальні круги з алмазовміщуючого металокерамічного композита марки КМ1, які при шліфуванні твердих сплавів спільно зі сталлю дозволяють підвищити продуктивність і зносостійкість кругів у 23 рази в порівнянні з кругами на відповідній керамічній зв'язці марки К1-01.
Реалізовано процеси високопродуктивного шліфування прецизійних і інших інструментів: мілкорозмірних свердел і фрез; свердел для глибокого свердління; ножів-лез; плоских ножів паперорізальних машин; ножів дереворізального інструменту; великогабаритного штампового і протяжного інструменту; фасонного пресового інструменту; металорізального інструменту; виробів з вогнетривких матеріалів і художнього скла.
Розроблені і видані рекомендації, прайс-каталоги і слайд-фільми. Розробки враховано при створені двох державних стандартів України: ДСТУ 248694 Алмази та інструменти алмазні. Терміни та визначення” і ДСТУ 329296 Порошки алмазні синтетичні. Загальні технічні умови”.
Одержані наукові і практичні результати реалізовані в період з 1980 по 2001 рр. на підприємствах України, Росії, Бєларусі, Латвії, Азербайджану із збільшенням продуктивності обробки в 23 і більше раз, підвищенням стійкості інструментів в 1,32,5 рази, зниженням витрат кругів з НТМ у 1,52 рази, підвищенням надійності та довговічності різальних інструментів.