Введение к работе
Актуальность проблемы. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986 - 1990 годы и на период до 2000 года" предусматривается дальнейшее развитие машиностроения как важнейшей отрасли прог.шшленкосги, что связано с главной технической задачей применения новых технологий и материалов с целью интенсификации производства и достижения высокого качества продукции, а также автоматизацией производственных процессов.
Особое значение приобретают эффективные технологии механической обработки труднообрабатываемых материалов, в том числе и вновь создаваемых с повышенными прочносгныш и эксплуатационными свойствами. К числу наиболее труднообрабатываемых материалов относятся вольфрамосодержащие и безвольфрамовые твердые сплавы (БТС). В связи с их широким применением для изготовления металлорежущего, контрольно-измерительного инструментов, деталей штатов, пресоформ и других изделий в машиностроении решение вопроса эффективной обработки резанием этих материалов приобретает важное народнохозяйственное значение.
В настоящее время одним из наиболее прогрессивных способов обработки твердых сплавов является алмазное шлифование. Однако пониженная шлифуемосгь, особенно БТС, обнаруживается и при обработке их алмазными кругами, например, на бакелитовых и на металлических связках в условиях обычного и электролитического шлифования. Основной причиной низкой работоспособности алмазных кругов, особенно на наиболее прочных и износостойких металлических связках является засаливаемость режущей поверхности, недостаточная возобновляемость рельефа и, как следствие,' нестабильность свойств и условий взаимодействия с обрабатываемым материалом.
Проблема повышения эффективности шлифования твердых сплавов в том числе БТС остро выдвигает задачу изыскания мер по обеспечению стабильных прогнозируемых условий взаимодействия режущего рельефа с материалом при сохранении высоких показателей работоспособности кругов (производительность, износ, себестоимость, качество обработки).
Стабилизация высоких показателей работоспособности алмазних кругов может быть достигнута введением в зону резания ло-
полнигельной энергии в виде электрических импульсов, выявлением условий шлифования, характеризуемых устойчивым состоянием рельефа (плотность распределения зерен, модальная высота, разновы-сотяость) и обеспечивающих требуемое качество поверхностного слоя.
Процесс шлифования с введением дополнительной энергии - алмазно-искровое шлифование (АШ1) - состоит в том, что в нем совмещены процесс механического резания алмазными зернами с действием электрического тока в зоне резания; вследствие эрозионных разрядов, возникающих между обрабатываемым материалом и рабочей поверхностью круга, происходит удаление частиц, засаливающих круг, активное самозатачивание, что способствует проявлению более высокой потенциальной режущей способности алмазных кругов и длительному ее сохранению. Таким образом, применение АИШ позволяет решить триединую задачу, интенсификация процесса шлифования, решение вопроса обрабатываемости различных твердых сплавов и создание предпосылок автоматизации процесса. Эта задача может быть решена на экспериментальном уровне, что нашло широкое отражение в работе.
Вместе с тем выявление условий шлифования, обеспечивающих стабилизацию заданной работоспособности алмазных кругов, не только позволяет значительно расширить технологические возможности процесса, что само по себе имеет большое практическое значение, но и создает предпосылки для прогнозирования его показателей, разработки расчетных теоретических моделей, адекватно отражающих условия взаимодействия рабочей поверхности кругов с обрабатываемым материалом, и позволяет реализовать микроскопический подход при анализе этого взаимодействия.
Изучение работ в области исследований различных аспектов проблемы повышения эффективности алмазного шлифования и работоспособности кругов показало, что они имеют частный характер в отношении объектов исследования, методики проведения, трактовки получаемых результатов. Поэтому отсутствие единой научной методологии крайне затрудняет проведение целенаправленного научного поиска в сферах разработки и прогнозирования стабильных условий эксплуатации высокопроизводительных алмазных кругов.
Исследование проводилось автором на кафедре резания материалов и режущих инструментов ЯШ им. В.И.Ленина по тематике проблемной научно-исследовательской лаборатории физики процессов ре-
зания инструментом из сверхтвердых материалов имени М.Ф.Семко и Отраслевой лаборатории алмазного инструмента Минсгаякопрома. Работа выполнялась в соответствии с Общесоюзной научно-технической программой ПСНТ СССР 0.16.05; основание - постановления ГКНТ № 415 от 18.11.76 Г., № 515/271 от 29.12.81 г., № 535 от 31.12.66 г.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности алмазного шлифования твердых сплавов, в том числе безвольфрамовых; разработка научных основ реализации высокопроизводительного алмазно-искрового шлифования, прогнозирования и стабилизации в течении продолжительного времени работоспособности кругов на металлических связках за счет обеспечения условий самозатачивания режущего рельефа.
Научная новизна. Разработанные теоретические принципы повышения эффективности ишіфования твердых сплавов реализуются на основе научно-обоснованных способов прогнозирования и стабилизации работоспособности кругов, вскрытия закономерностей микрорезания и алмазно-искрового шлифования твердых сплавов, в том числе безвольфрамовых, определяющих взаимосвязь режимов резания, характеристик кругов и параметров технологического тока с производительностью, износом крута и качеством обработанной поверхности. На основе теоретического обобщения в работе установлены.и разработаны:
- расчетная методика прогнозирования производительности и
износа алмазных кругов на основе микроскопического подхода, сум
мирования по слоям материала и элементов режущего рельефа в бес
конечно малых;
- динамическая прочность и работоспособность алмазных зе
рен в различных условиях микрорезания; монотонный рост условных
напряжений резания с уменьшением толщины среза до 0,1 мкм, преобладание процесса резания над пластическим выдавливанием либо упруго-пластическим оттеснением, существенная роль субмикрорельефа алмазных зерен; на порядок меньшее известных значений благоприятное соотношение толщины среза и радиуса округления зерен, составляющее 0,03-0,01;
икдентичность характера силовых зависимостей и уровней коэффициентов шлифования при микрорезании и алмазно-искровом шлифовании; самостоятельная роль связки алмазного круга при взаимодействии с обрабатываемым материалом; признаки предполагаемого "эвтектического изнашивания" алмазных зерен при шлифовании безвольфрамовых твердых, сплавов; условия стабильного самозатачивания алмазных кругов на металлических связках; отличительные особенности влияния технологических факторов на выходные показатели процесса;
закономерности и особенности формирования остаточных на- . пряжений при алмазно-искровом шлифовании твердых сплавов в том числе безвольфрамовнх во взаимосвязи с их износостойкостью; методика разделения суммарных ориентированных остаточных напряжений на макро- и микросоставляющие с помощью вытравливания цементирующей фазы; существенный вклад межфазных микронапряжений в общее напряженное состояние поверхностного слоя безвольфрамовых твердых сплавов и их определяющее влияние на эксплуатационные свойства инструментов из них.
Методы исследования. Работа выполнена с использованием фундаментальных положений теории шлифования. В теоретических исследованиях преобладают алгоритмические методы: при решении задач оптимизации с ограничениями в виде неравенств и при определении значений кратных интегралов использованы численные методы; для расчета производительности процесса и износа кругов использовался метод суммирования по слоям материала и режущего рельефа в бесконечно малых, приводящий в теоретических моделях к определенным интегралам, которые вычислялись численно. При анализе распределений и аппроксимации функций использованы вероятностные подходы и методы математической статистики. Программы расчетов написаны на алгоритмическом языке ФОРТРАН-ІУ ОС ЕС ЭН.1, расчеты по математическим моделям выполнялись на ЭВМ ЕС 1022.
При изучении результатов физико-механического взаимодействия режущего рельефа с обрабатываемыми материалами и анализе их состояния применялись рентгенографические метода, электронно-сканирующая микроскопия, оригинальные силоазмерительные устройства и аппаратура.
Теоретические положения работы подтверждены экспериментальными исследованиями на оригинальных установках, реализующих различные схемы процессов мякрорезания и алмазно-искрового шлифования. При обработке результатов экспериментальных исследований по статистическим моделям (планяруешй эксперимент второго порядка) также использовалась ЭВД.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования АИШ позволили разработать условия, обеспечивающие устойчивый высокий уровень производительности порядка 800-1000 тг/мин при обработке вольфрамосодеряащих и 600 - 800 мм3/мин - безвольфрамовых твердых сплавов, что в 4 - 5 раз выше, чем при обычном шли-, фовании кругами на металлических связках и в 2 - 2,5 раза -чем при электролитическом, при удельной себестоимости 4-7 коп/см3 и состоянии поверхностного слоя, обеспечивающем наибольшую износостойкость шлифованных инструментов.
Комплексный подход к выявлению потенциальных возможностей и повышению работоспособности алмазных кругов путем стабилизации условий взаимодействия режущего рельефа с обрабатываемым материалом позволил создать технологические предпосылки автоматизация процесса обработки инструмента различного назначения. Это подтверждается приведенными в работе примерами прогнозирования и расчетов на ЭШ, экспериментального исследования и внедрения процесса АИШ твердых сплавов и БТС.
На основе выполненных исследований разработаны математические модели процесса шлифования - производительности и износа, реализовано их алгоритмическое и программное обеспечение, что позволяет получить большое количество пространственно—временных соотношений между характеристиками рельефа круга, технологическими факторами и выходными параметрами процесса.
По результатам работы совместно с ГСПКТБ "Оргприминструмені" разработаны "Общемашиностроительные нормативы режимов резания, норм износа и расхода для резцов с механическим крепле-
ниєм пластин сменных многогранных из безвольфрамовых твердых сплавов".
Результаты исследований используются также в учебном процессе при обучении студентов специальности 0501 - технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты, - при чтении лекций, в курсовых и дипломных работах. Предполагается также использовать возможности численных методов расчета потенциальных' (прогнозируемых) показателей работоспособности кругов при изучении студентами САПР технологических процессов на АРМ технолога.
Результаты работы внедрены и продолжают внедряться на операциях шлифования пластин, резцов, ножей для фрез, специального инструмента и др. при раздельной и совместной со сталью обработке. Полученный по результатам внедрения, подтвержденный документами, экономический эффект составил 613,6 тыс.р.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и были одобрены на:
Международной конференции "Синтетические алмазы - клич к техническому прогрессу", г.Киев, 1977 г.; Всесоюзной конференции "Прогрессивные технологические процессы в инструментальном производстве", г.Харьков, 1979 г.; Всесоюзной конференции "Прогрессивные методы абразивной и алмазной обработки в машиностроении", г.Полтава,ч1979 г.; Всесоюзной конференции "Перспективы развития инструментальных матералов", г.Ворошиловград, I960 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные методы обработки труднообрабатываемых материалов на металлорежущих станках", г.Мариуполь, 1980 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы использования алмазов в машиностроении",г.Москва, 1980 г.; Международном семинаре."Сверхтвердые материалы", г.Киев, 1981 г.; 6-й Международной конференции "Инструмент", г.Мишкольц (ВНР), 1985 г.; Всесоюзной конференции "Новые сверхтвердые материалы и прогрессивные технологии их применения", г.Киев, (г.Канев), 1965 г.; Всесоюзной конференции "Интенсификация технологических процессов механической обработки сверхтвердых материалов", г.Ленинград, 1986 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы шлифования, инструмент и его рациональная эксплуатация" (Шлифование-86), г.Ереван, 1986 г.; УП Международной конференции "Инструмент", г.Мишкольц (ВНР), 1989 г.
Диссертационная работа в целом рассмотрена и одобрена на расширенной заседании кафедр "Резание материалов и режущие инструменты", "Технология машиностроения и станки", "Автоматизация и комплексная механизация машиностроения" ХПИ им.В.И.Ленина, "Пегаллообрабативаю-дпе станки и инструменты" СЗПИ, "Резание материалов" Мосстанккка; "Технология машиностроения" ОШ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано свыше 100 печатных работ, в том числе 5 монографий (в соавторстве) п 5 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов по главам, общих выводов и практических рекомендаций, приложения; диссертация изложена на 26G страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков, 58 таблиц, список литературы из 239 наименований; в приложении на 185 страницах (3? рисунков, 23 таблицы) представлены схемы алгоритмов и исходные тексты программных модулей расчетов по математическим моделям (приложение I), графическое представление расчетных зависимостей плотности вероятности толщин среза рабочих зерен, оптимальной плотности распределения зерен по высоте, полученное на ЭВМ (приложение 2), методика планирования экспериментов, матрицы планирования и результаты экспериментов в виде таблиц и расчетных однофакторных зависимостей (приложение 3), документы о внедрении (приложение 4). Общий объем работы составляет 529 страниц.