Cheboksary, Russian Federation
Cheboksary, Russian Federation
UDK 621.923.04 Отдельные способы шлифования, полирования и т.д.
Problematic issues related to the development, machinability and application of new high-strength ceramic materials are viewed. Such materials possess high hardness comparable to the hardness of abrasive materials. Therefore, it makes difficult to produce such materials using traditional techniques. To solve this problem, we have proposed the modernization of the PP 600F machine with the implementation of combined electro-diamond processing of high-strength ceramic materials with diamond wheels on a binder metal. The modernization provides for the development of special components and structures of a current collector, a cathode for straightening a circle, a circuit for a technological current source and constructive solutions for automatic control of the straightening current. Based on the results of the study, rational cutting modes have been established to guarantee the quality of products made of high-strength composite materials. The experiments were performed with standard techniques using optical and electron microscopy. The tasks were solved taking into account the study of diamond wheels flow density on a metallic binder, as well as forces, power, cutting temperature, defects on the surface of the grinding wheel and the machined product. The solution for controlling the cutting capacity of a grinding wheel and the conditions of their operation in the self-sharpening mode is shown. Based on the stabilization of cutting power, the self-sharpening mode of diamond wheels on a metallic binder and grinding modes are switched on:Vgwh = 35 m/s; Spr = 0.5.1.5 m/min; Spr = 0,5…1,5 m/min; Spop = 0,02…0,05 mm/dv.stroke ipr = 0,2…0,6 A/cm2; itr = 4…6A/cm2. Using the example of grinding zirconium diboride with an A C 6 diamond wheel with a grain size of 125/100 in these modes, it guarantees the absence of micro, macro cracks, and the roughness of the machined surface within 0.2…0.4 microns.
diamond wheels, grinding, combined machinning, control of the truing, quality, modernization, high-strength ceramic materials.
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. Krutskiy Yu.L., Gudyma T.S., Dyukova K.D., Kuzmin R.I., Krutskaya T.M. Diborides of transition metals: Properties, application and production. review. Part 2. Chromium and zirconium diborides // Izvestiya vuzov. Ferrous metallurgy, 2021, vol. 64, no. 6, pp. 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. Stepanov I.A., Skripnyak V.A., Andriets S.P et al. Investigation of the compaction patterns of nanostructured ceramics based on zirconium diboride during hot pressing//Nuclear Physics and Engineering. 2011, vol. 2, no. 3, pp. 1-16.
7. Skripnyak V.A., Skripnyak E.G., Vaganova I.K., Yanushkin A.S., Skripnyak V.V., Lobanov D.V. Mechanical properties of nanostructured ceramics based on zirconium diboride// Izvestiya vuzov. Physics, 2012, vol. 55, no. 7/2, pp. 119-123.
8. Lobanov D.V., Yanushkin A.S., Rychkov D.A., Petrov N.P. Optimal organization of tools for machining composite // STIN, 2010, no. 11, pp. 2-4.
9. Rychkov D.A., Skripnyak V.A., Yanushkin A.S., Lobanov D.V. Development of preparation technology of the cutting tools for layered composite materials treatment// Metalworking (technology, equipment, tools), 2014, no. 2 (63), pp. 6-13.
10. Makarov V.F., Volkovsky A.A., Sabirzyanov A.I. Increase of productivity and composite abrasion quality based on choice and abrasive tool rational use// Science-intensive technologies in mechanical engineering, 2020, no. 9 (111), pp. 40-48.
11. Kirichek A.V., Fedonin O.N., Khandozhko A.V., Zhirkov A.A., Soloviev D.L., Barinov S.V. Hybrid technologies and technical equipment for additive synthesis of products // Science-intensive technologies in mechanical engineering, 2022, no. 8(134), pp. 31-38.
12. Smolentsev V.P., Nenakhov N.N., Izvekov A.A., Starodubtsev I.G. Additive processing technologies of tool engineering for combined tooling techniques // Science-intensive technologies in mechanical engineering, 2022, no. 7(133), pp. 3-8.
13. Smolentsev V.P., Kirillov O.N., Izvekov A.A. Expanding the field of use of combined science-intensive technologies in mechanical engineering // Bulletin of the Voronezh State Technical University, 2024, vol. 20, no. 2. pp. 188-192.
14. Boldyrev A.I., Usov S.V., Boldyrev A.A., Mandrykin A.V. The experimental evaluation of technological facilities varieties in method of electrochemical shaping // Bulletin of the Voronezh State Technical University, 2014, vol. 10, no. 3-1, pp. 120-122.
15. Yanushkin A. S. Technology of electro-diamond sharpening of cutting tools and methods of its realization: monograph / A. S. Yanushkin. – Stary Oskol: TNT publ., 2013, 336 p.
16. Pat. 2304504 RU, IPC B24B 53/00, B23N 3/00. Method of automatic control of the process of continuous electrochemical disk truing and a device for its implementation / A. S. Yanushkin, A. A. Suryev et al.; patent holder Bratsk State University. 2010. – Appl. 31.01.05; published. 20.08.07, Bul. 23.
17. Lobanov D.V., Yanushkin A.S. Tooling backup technology for composite non-metallic materials manufacturing: a monograph. Fine high-tech technologies, Stary Oskol, 2012, 296 p.
18. Yanushkin A.S., Lobanov D.V., Bataev V.A., Arkhipov P.V., Medvedeva O.I. Investigations of the operability of diamond wheels in processing composite materials. Methods. Technologies, 2010, no. 3 (7), pp. 87-91.
