автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Алмазно-электрохимическое шлифование твердосплавных прорезных фрез

Тульский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт

На правах рукописи КОВШЕ СЕРГЕЙ ЛЮН1Щ0Ш1Ч

;шт-элЕкгрох15МичЕскоЕ ишшшш ТВЕРДОСВЛАВШХ 11Г0ЕВ31Ж ФРЕЗ

Специальность 05,03.01 - Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 1991

Работа выполнена на кафедре "Производство машин и аппаратов' Тульского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Любимов В.В.;

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Смоленцев В.П.; - кандидат, технических наук, старший научный сотрудник Лаврикенко В.И.

Бапущая~организаци,я -ПО ДЗапорожтрансформатор"

Защита состоится 19э£г. в часов

в 9-ы учебном корпусе, ауд. 101, на заседании специализированного совета К 063.47.01 Тульского ордена Трудового.Красного Знамени политехнического института (300600, г.Тула, пр.Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского поли технического института.

Автореферат разослан " ^" /г 1991 г.

Учений секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

Е.И.Федия

I. ОБЩАЯ ХАРШШ'ТПт РАБОТЫ

А к т у а л ь н о с т ь : Во многих отраслях промышленности применяется пирокая номенклатура деталей с большим часлок глубоких" ( отнесение глубины к ширине ? 10 ) пазов, получение которых м-ожет быть осуществлено различными методами : ЗЭО ггалпброзпншга электродом-проволокой, шлифованием абразивши или алмазным кругами, строганием, фрезерованием, долблением и т.д. На практике наиболее распространенный методом является фрезерование, обсспечиЕаю-цее высокую производительность при сравнительной простоте замени и шотройкн инструмента - прорезной фрезы, шею.'цей ряд особенностей по сравнению с существующими разновидностями Фрез : большое количество зубьев, малую тожчвиу (отношение диаметра к толвияе 60-200), наличие поднутрения на торцевых поверхностях и, следовательно,калуга жесткость и прочность.

Месту параметрами процесса фрезерования и точностью обработки пазовых деталей существует тесная взаимосвязь. Выполнить весьма высокий требования по точности элементов пазов и их взаимного положения возможно при обеспечении олтймалышх геометрических. параметров, точности, качества изготовления и высокой стойкости 'Фрезы.

В связи с этим поиск путей увеличения стойкости фрез за счет повышения качества их изготовления является важной задачей. При фрезеровании высокопрочннх металлов и сплавов перспективным направлением является использование в качестве материала фрезы твердых сплавов, обладающих высокой износостойкостью по сравнению с традиционно применяемыми быстрорежуюти сталями ,

. Изготовление твердосплавных Фрез связано о трудностями полу-чвння заготовок с допустимыми неплоскоотностьп и непараллельноствэ торцевых поверхностей и выбора эффективного метода, обработки, "позволяющего исправлять исходную погрешность форми заготовки и не оказывать значительных силового и температурного воздействия на обрабатываемую поверхность, вызывающих появление дефектов в виде прижогов, микротрегдан, сколов острых кромок, снигавхцих прочность и стойкость фрез.

Среди существую^« методов абразивно-алмазной обработки твердосплавных- фрез, гтям требования:.; в наибольшей мере отвечает алглаз-кс-электрохнкйческое шлифование ( АЭХЫ }, имеющее , кроке этого, в Г,5,- 2 раза.большую производительность, чем алмазное кушфова-ние САШ ). Э#ег'.'пвность использования метода АЭа11 определяется

выбором рациональных схем и режимов обработки при нахождении оптимального сочетания анодного и механического воздействий на об-рабагиваемув поверхность.

Настоящие исследования являются частью работ, выполняемых Тульский политехническим институтом по проблеме 0.16.05, заданию 30.23.Г 1КНГ СССР.

Автор защищает:

I. Результаты исследований по технологическому обеспечению требуег/ых точности л качества изготовления твердосплавных про-резлых фрез малой жесткости с обеспечением необходимой прочности инструмента, закономерности изменения режш/.ов обработки в зависимости от требований к точности п качеству изготовления паза, величшш исходной погрешности формы и размеров обрабатываемой заготовки Фрезы.

____________2._Ыеханнзм формирования микрорельефа, структуры и (ризико-

механического""оостояния-поверхвосшого моя твердосплавных фрез црв АЭ/И , учи тыл»!®« влияя:;«? продоляГтсльвости и -вн-- .. тенсивности анодного и механического воздействий на обрабатываемую поверхность.

3. Результаты экспериментальных исследований, позволяющие определить влияние режимов ЛЭХ1И на стойкость и механизм износа поверхностного слоя твердосплавных прорезных фрез.

4. Методику выбора рациональных геометрических параметров и изготовления прорезных арез, основанную на определении режимов АЭХШ в зависимости от требуемых точности и качества изготовления паза детали, величины исходной погрешности формы.и размеров заготовки и анатвза прочности инструмента.

5. Разработанной на основании проведенных исследований процесс АЭЖ .твердосплавных ярорезшх фрез, позволяющий повысить эффективное« изготовления инструмента я улучшить его товарный вид

Цель работы: разработка высокопроизводительного процесса АЭХШ твердосплавных прорезных шрез малой жесткости, обеспечивающего повышение стойкости инструмента при достижении трюбуег.з'х точности изготовления и качества поверхностей

Общая методика исследований. 3

работе выполнена как теоретические, так и экспериментальные, исследования..

Теоретически- исследования проводились на основе коделирова- .

нвя напряяенио-дефоршр.ованиого состояния прорезной Яреза при ее работе с использованием метода конечных элементов.

Экспериментальные исследования проводились'на экспериментальных, опытно-промышленных установках я серийных станках с помощью разработанных методик, устройств и приборов на заготовках твердосплавных фрез при отработке технологического процесса се-риНного производства инструмента.

Испытания изготовленных фрез проводились в производственных условиях на заготовках деталей чулочно-носочннх автоматов а коллекторов малогабаритных электродвигателей.

Для изучения механизма фо^гироканая поверхностного слоя твердосплавного инструмента при АЭХШ в работе использовались стандартные методики определения параметров структуры и физико-механического состояния поворхностноотного слоя, анализа спектральной плотности ;ероховатоети поверхности.

Научная новизна:

1. На основании анализа напряженно-деформированного состояния работающей прорезной фрезы, рассматриваемой как плоское линейно-упругое тело с начальными геометрическими погрешностями формы, определены условия обеспечения прочности, учитывающие соотношение диаметра и толщины фрезы и возможность потери устойчивости в смысле Эйлера.

2. Установлены -закономерности взаимодействия механического

и анодного воздействий при формировании физико-механических характеристик поверхностного слоя твердосплавного инструмента, заключающиеся в изменении интенсивности механического воздействия алмазных зерен на структурные составляющие поверхностного слоя и определении максимальной интенсивности пластической деформации карбидных зерен для различных значений разности потенциалов на электродах.

3. Выявлен механизм перехода процесса АЭХШ с выхаживанием при малых электрических напряжениях из стадии активного анодного растворения в стадию пассивации вследствие постепенного увеличения разности потешшалов на электродах в процессе съема-припуска и уменьшения упругих отяатий заготовки, учитывающий кинетику перехода от микрорезания к пластическому и упругому деформированию поверхностного слоя алмазными зернами, обеспечивающий формирование выступов микронеровностей карбидными зернами и отсутствие избирательного анодного растворения структурных составляющих твердого сплава на поверхности прорезной фрезы.

4. Выявлен характер влияния структуры поверхностного слоя твердосплавного инструмента, полученной на оптимальных режимах АЭЙ!1 с выхаживанием, на интенсивность износа фраз, заключающийся в том, что характерны.! для твердосплавного инструмента стадиям адгезионного и абразивного износа предшествует значительная до продолкителъности стадии дпффузнойного износа.'

Практическая ценность и реализация результатов. Результаты выполненных исследований использованы при внедрении процесса ЛЭХШ твердосплавных прорезных ущез, создании участка для их изготовления на ПО "Тула точмаш", при сержиюм изготовлении инструмента.

На основании выполненных исследовании разработана методика выбора рациональных геометрических параметров и изготовления твердоснлавннх прорезных фрез, позволяющая определять рациональные схему и реына! обработки. Положения методики использовались при отработке технологического процесса серийного изготовления

инструмента. ------------------------------------

Внедрение полученных результатов на ПО "Тулаточмаш" позволи ло заиенитъ ряд операций ажаэногл и абразивного шлифования и пс лучить годовой экономический эа/.ект 76 тыс.руб.

апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулПИ в 1985-1990 гг., на научно-технических семинарах и расширенних заседаниях кафедры ШиА, на научно-технических конференциях в и?. Туле (1986 г..), Иванове ,(I988i Уфе (1988 г.), Куйбышеве (1988 г.), Ижевске (1989 г.), Прантичес кие результаты работ демонстрировались на международной выстави« "Металлообработка - 89", Пдовдивских выставках-ярмарках Г989, 1990 гг., на ВДНХ СССР и отмечены серебрянныня медалями в 1989 я ISS0 гг. В 1988г. за работу "Повышение эффективности электрохимической обработки в условиях гибких производственных систем" автор удостоен звания лауреата премии Тульского комсомола в области нр.укв и техники..

Публикации. По теме диссертации опубликовано II статей, информационньЗ листок, получено авторское.свидетель ство и положительное решение о выдаче авторского овидетельст Структура- и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, изложенных 187 страницах машинописного текста, содержит ' 60 рисунков, список использованной литературы состоит из П7 наименований

и приложений.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАВЭШ

2.1, Состояние вопроса а задачи исследования

На основании анализа особенностей процесса фрезерования глубоких и узких пазов определены характерные вида износа и разрушения прорезвнх фрез, связанные с условиями их работы при г/а-лнх подачах на зуб ( ^ 0,015 ш) и существенном влиянии радиуса округления режущих кромок и радиального биения фрез, при многократном ударно-циклическом нагружения и трении торцевых поверхностей фрез о боковые стенка фрез еру ег/.ого паза.

Статистический анализ характерных видов износа и разрушения прорезных фрез'позволил сделать вывод, что основной операцией при изготовлении прорезной фрезы, определявшей интенсивность еэ износа и вероятность разрушения, является процесс получения торцевых поверхностей яяструм&вта. Ф> ..мообразовандс зубьев фрезн в меньшей степени лимитирует ее работоспособность.

Анализ влияния основных (Токторов, опредедяюизх стойкость прорезных адез, позволил сформулировать требования к схемам их обработки а режимам изготовления: обеспечение точности размеров до 7 - 8-го кватитетов, шероховатости торцевых поверхностей не выше Ка = 0,16 снижение силового' и теплового воздействий на заготовку фрезы; возможность исправления яеплсскостностя твердосплавной заготовки до величины, но лрсвы;аа:оцеи 0,01 - 0,015 ил; дсс-таяенле высокой производительности; формирование заданных физико-механических характеристик н структуры поверхностного слоя фрезы.

Для изготовления прорезных фрез используются в основном твердые сплавы с содерканпегл кобальта не менее 8 % как более прочные, что отвечает условиям работа и особенностям инструмента. Существующие- закономерности влияния физико-механических характеристик, структурных составляющих поверхностного слоя твердых сплавов на их сопротивляемость деформации, разрушению и износу позволили определить рлд требований х состоянию поверхностного слоя прорезных Фрез после их-окончательной обработки: для более полного использования ресурса прочности твердых сплавов и снижения интенсивности абразивного и адгезионного износа необходимо упрочнение как карбидной, я овязутещей фаз, так и кеяфазовнх границ при формировании вротупов профиля шероховатости поверхностей, контактируют!« с оорабатнваемнм материалом, карбяднда! зернами, которае прочно удерживаются кобальтовой составляющей.

Из литературного апалгза технологочеоквх вэзиожносгей АЭХШ следует, что данный метод позволяет выполнить заданные требования по точности с пошиением производительности обработки по сравнению с Alii, снизить термические и силовые нагрузки в процессе изготовления Фрезы. Кроне того, АЭХШ обладает широкими возможностям-! при формировании требуе&вде характеристик поверхностного слоя твердосплавного инструмента, что позволяет осуществить связь рельефа поверхности обрабатываемой заготовки фрезы о элементами структура твердых сплавов.

Для определения условий интенсивного исправления исходных погрешностей и формирования требуеши показателей ыикрогеометрии, структуры и фнзйко-м-зхшшческого состояния поверхностного слоя прорезнме фрез необходимо установить закономерности процесса АЭХШ с учетом изменения интенсивности и продолжительности воз-дейотвпя анодноА в механической составлятадах съема. Поэтому для повышения эффективности.АЭХШ твердосплавных прорезных фрез необходимо решить следующие задачи: ------ ------- -

1. Определить и обосновать условия обеспечения и- повышения необходимой прочности твердосплавных прорезных фрез . '

2. Определить схем и режима обработки, обёспечиватощие интенсивное исправление исходных погрешностей формы в условиях снижения силового воздействия на обрабатываемую заготовку.

3. Выявить механизм формирования структуры, микрорельефа и дэиэино-иёханических характеристик поверхностного слоя рабочих поверхностей твердосплавных фрез с учетог изменения продолжительности и интенсивности механического и анодного воздействий и эксплуатационных требований к фрезе ...

4. Исследовать механизм износа и стойкость прорезных фрез как Функций режимов алмазного.и алмазно-электрохимического шлифования.

5. Разработать методику проектирования и технологию изготовления твердосплавных про^езнах фрез.

6. Внедрить высокопроизводительный и' элективный процесс АЭХШ б производство, обеспечищюпдий повышение стойкости и улучшение товарного вида твердосплавных фрез.

С целью получения представления о характере .деформирования ь разругонля .ррезы при ее работе, определения условий, сбеспечи-\ш-пх необходимую"прочность инструмента, был проведен анализ

напряженно-деформированного состояния (НДС) прорезной фрезы. 3 овязи с тем, что прорезные фрезы имеют малую яесткость в поперечном по отношению к плоскости Фрезы направлении,' при анализе их прочности, рассмотрено не только 1ЩС зуба, но а всего тела фрезы. Основанием для этого явилось возможное наличие такого возмущаю-■вдго фактора, как осевая составляющая силы резания, возникаюцая при отклонении формы фреза от плоскости. Как известно из механики деформируемых тонких тел, наличие данного фактора приводит к неравномерному распределению напряжений по толщине фрезы, появлению деформаций изгиба и в потере устойчивости, то есть к резкому переходу от начального равновесного положения к соседнему. В зтом случае величина напряжений значительно возрастает по сравнению с напряжением в исходном состоянии, что, как правило, приводит к образованию трещин и разрушению фрезы.

В связи с т-"!. что твердые сплавы практически не обладают пластическими свойствами,в качестве физической модели для них принято линейно-упругое тело. 3 этом-случае рациональным описанием прорезной фрезы как объекта механики деформируемого твердого тела будет, следующее (рнс.1.): тонкий диск из линейно-упругого материала, нагруженный радиальной и окружной силами резания с исходной неплоскоотностью и радиальным биением, определенным технологией изготовления'. Такое описание позволяет использовать вариационное уравнение Лагранжа в рамках технической теории изгиба пластин с учетом возможной потери устойчивости:

3/2](игсо)р- + с/г с/у -I-

+ и/2 ] [ со/; ^ иг 5 + ¿4^] ¿1 <4 у+

+ в/г/к*

3

где первый интеграл есть потенциальная энергия изгиба, второй -работа мембранных сил на перемещениях изгиба, третий - потенциальная энергия плоского напряженного состояния(Ш!С) Рг , Ру , Ц р , Л - компоненты силы резания, перемещения точки ее приложения; - компоненты тензоров напряжений; 11 тГI , СО- -компонентц вектора перемещений; 1) - изгпбная жесткость;

h - тошуша фпезы; в = еЬ/(1 - v? ).

Б выражении (I) в качестве допущения пренебрегали участка/ врезания в обрабатывавши катерная и приникали, что остаточные напряжения в поверхностном слое рабочих поверхностей фрезы определены и могут быть учтены как дополнительный аддитивный фактор.

На основе принципа суперпозиции линейной теории упругости при анализе ВДС прорезной фрезы бил решен ряд автономных задач:

1. Определены напряжения в теле фреза в результате исследования шюско-налрякенного состояния (ПНС) Фрезы как тонкого идеально плоского диска под действием радиальной и окружной сил резания.

2. Вычислено наименьшее критическое (по Зйлеру) значение силы резалкя для идеально плоской фрезы.

3. Определено влияние иепдоскоетеюоти на прочность Фрезы.

Задача I реихша прв использовании только третьего интеграла

из уравнения (1), а 2 и 3 - первого и второго. Так как НДС фрезы существенно неоднородно, то для расчета перемещений и напряжений бил применен "гйтод"конечных-элементов.('.КЗ).

Из решения задачи 1 получены распределения нацряиен. ¡1 6^,, 6"g g в уатериале Фрезы и определена ее несущая способности рнс как значение силн резания, при котором-наибольшее эквивалентное напряжение достигало предела прочности материала для исследуемого диапазона типоразмеров ед>ез диаметром 20 - 80 ш, толщиной 0,1-1 Ш:1.

Из решения задачи 2 с использованием полученных распределений напряжений определена.'критическая Эйлерова сила как наименьшее собственное число в обобщенной задаче на собственные значе-

{м - pttfH

где [к] - матрица жесткости, полученная из первого интеграла;

- матрица геометрической жесткости, полученная из второго интеграла; Р - модуль равнодействующей сил резания Р^ и Ц ; Cj - вектор узловкх перем^цений.

В результате решения этой задачи для исследуемых сочетаний диаметра и толщины фреза получены зависимости для критических сил резания Ркр.

Располагая данными, полученными из решения задач I и 2 , ио'хно выделить область допустимых значений диаметра и толщины фрезы (рнс.2). Каядая точка границы области характеризуется тем,

что материал находится в предельном состоянии: либо Р = Ркр, либо Р = Рнс. Выход за пределы области недопустим.

Из решения задачи 3 получено разрешающее уравнение, позволяющее рассчитать изгибпые напряжения в теле фрезы:

{[к1+ тц ц (з)

где Р - равнодействующая сил и Ру ; - вектор начальник перемещений.

По результата;.", расчетов была определена зависимость Рнс от величины исходной пеплосксстности.

3)

80

мм

60 Ьй

го

'й Я

I

У /: Р У'

&

Рис.

опасная точка '"¿разы

фрезы

у 32 0,5 мм °>&

ь—

I Расчетная схема фрезц Рис.2 Дспу.ткив значения

диаметра и толпдани фрезы

Наибольшие растягивающие напряжения, как следует из 1ЩС прорезной фрезы, развиваются у основания зуба фрезы. Для различных материалов и типоразмеров фрез, режимов фрезерования эти напряжения могут достигать продела прочности твердых сплавов при радиальном биении фрезы 0,05 - 0,1 мм. При толщине фрезц менее 0,5 - 0,6 мм в зависимости от диаметра основной причиной ее выхода из строя является потеря устойчивости в результате действия осевой силы резания, возникающей при работе фразы-с исходной неплоскостностью.

Результаты решения задач подтвердили выводи, сделанные на основе статистических.данных о разрушениях прорезных фрез; они могут быть использоезды для правильного' выбора диаметра при заданной тсшцвне фрезы, при формулировании требований к точности ее изготовления и выбору марки твердого сплава.

Следует заметить, что изменения в соответствии с проведен-

ныма исследованиями типоразмеров, материала фрез, требований к точности их изготовления вызывают необходимость корректировки режимов АЗХй исходя из требований снижения трудоемкости и повышения качества изготовления фрез. Следовательно, практические рекомендации по обеспечению требуемых прочности и износостойкости прорезных фрез можно дать лишь посла выявления закономерностей АЭХШ, находявдхся в функциональной связи о полученными при расчетах параметрами £резы.

При экспериментальном исследовании АЭХШ основное внимание уделялось торцевому АЭЗИ, обеспечивающему точность размера по толщине, нвплоскостность, качество обработки торцевых поверхностей и соответственно стойкость прорезной фрезы.

Достижение требуемой точности изготовления фрезы во многом зависит от правильного выбора схемы обработки. .Проведенный комплексный анализ показал, что наиболее универсальной является схема шлифования вращающейся заготовки торцем чашечного круга, обеспечиваю^ надежное закрепление нэплоской заготовки фрезы на"оправке и"интенсивное исправленле.ладошш_х_погрвшноатей формы. Для выбранной схемы обработки определялись эффективные 'режимы АЭХШ фрез различных типоразмеров, взго:овленных из твердых сплавов Ж8, BXI5, TT7KI2.

Проведешше исследования подтвердила преимущества АЭХШ по сравнении с АШ при обработке больших "пло'дадей торцевых поверхностей прорезных фрез. Полученные функциональные зависимости производительности Q , мощности шлифования fj , составляющих силы резания Р^ и Pg , шероховатости поверхности Ка от напряжения на электродах Ц , скорости резания Vp ■ поперечной подачи 5 п , зернистости алмазов показали широкие возкохшости выбранного метода, позволяющего осуществлять обработку при поперечной подаче 0,8 - 0,9 мм/мин, налрякении 7 - 8 В, скорости резания 22 - 26 м/с. При этом, при сникошш на 40 - 50 % сил резания производительность достигает ICGQ - 1700 мм3/мин,' что в 2 - 2,6 раза превышает производительность при АШ.

Алыазнцй круг при АЗХШ сохраняет высокую'режущую способность в течение длительного времени, в несколько раз превышающего аналогичное время при АШ, то есть имеются благоприятные условия для получения неизменных параметров точности и качества поверхности для партии фрез.

Исследования показали, что на интенсивность исправления исходной наплоскосткоста основное влияние оказывают давление круга

на поверхность фрезы и зернистость алмазов. Наиболее элективно достижение требуемой плоскостности в начальный период обработки при максимальной толщине я жесткости заготовки фрезы. Для кругов зернистостью 60/63 - Г60/125 обработку необходимо осуществлять при давлении 0,3 - 0,7 М1а и.напряжении 8 - 9 В соответственно. При этом следует производить смену базе одного горна на другой при съеме припуска, равного 30 - 40 % от исходной неплоскостности,что обеспечивает получение заданной точности формч при минимальном съеме припуска. После исправления погрешности форма окончательную обработку следует.проводить при давлении 1-1,5 МПа без смени баз.

С целью снижения шероховатости На поверхности обработку следует заканчивать' выхаживанием в режимах аШ и АЭХШ (рис.3). С увеличением напряжения до 4 В снижение высоты шшронеровностей происходит более интенсивно. Однако при напряжении свыше 3 ь не удается добиться величины Ка < 0,12 - 0,16 иго, соответствующей ' времени выхаживания 2-4 мин. С увеличением времени выхаживания свыше 4-5 мин наблюдается увеличение Ка до 0,3 - 0,4 мкм. Это объясняется преобладанием- анодного воздействия на обрабатываемую поверхность в избирательным анодным растворением кобальтовой фазы на глубину приблизительно равную 30 - 35 % от размера карбидных зерен.. При выхаживании с и = 1,8 - 2 В возыояшо получение поверхности с Ра = 0,04 - 0,08 мим при отсутствии видимых глазон следов резания. В этом-случае анодное воздействие локализуется на поверх- 1 ноств заготовки в не приводит к избирательному удалении кобальта из межзеренного. пространства. Анализ спектральной плотности шероховатости поверхностей после АЭХ13 показал, что максимумы на спектрограммах при АЭХШ без выхаживания соответствуют частотам 50 - 100 мм""*, что объясняется преобладанием механического резания; при АЭХШ с выхажившпеи при и = 2 - 4 В максимумы наблюдаются на час отах около 300 мм-*, что соотвествует среднеЕ частоте висту- -пания карбидных зерен а свидетельствует о преобладании анодных процессов в формировании поверхности.

С целью получения более полного представления о закономерностях взаимодействия механического резания и анодного растворения и механизма образования поверхностного слоя при АЭХШ с выхаживанием били проведены электронно-шшроскопические и рентгенодифрактомет-рические исследования элементов рельефа, структуры и параметров физико-механического состояния поверхностного слоя заготовок фрез из твердых сплавов ВК15, Т5К10, К20. Исследования показали, что преобладание механического-резания или анодного растворения но

обеспечивает формирования поверхностного слоя с оптимальными характеристиками. Нахождение рационального сочетания рассматриваемых воздействий возможно при локализации зоны действия механического фактора на финишной стадии обработки с тем, чтобы этот фактор оказивал влияние на тонкие поверхностные слои, а микрогеометрия и структура, поверхностного слоя формировались в основном анодным воздействием.

Условной точкой начала действия механизма образования поверхностного слоя является г.;омент выключения поперечной подачи алмазного круга при определенных значениях давления круга на поверхность заготовки Рнач и разности потенциалов на электродах (i nач. При любых значениях Рнач и U нач механизм содержит три части, соответствующие стадиям воздействия алмазных зерен на обрабатываемую поверхность: преобладание резания, пластического деформирования, упругого деформирования. В зависимости от величин Рнач и" U. нач время и условия протекания кглкдой стадии будут различными, соответственно будут различными и характеристики поверхност-j нога слоя. Преобладание механического пгзания или анодного раст- ' ворения существенно стирает границы между 'стадиями процесса. Однако ^следования показали, что'требуемых характеристик поверхностного слоя можно добиться лишь в случае существенного различия между стадиями его образования, на каждой из которых образуется поверхность с выраженными отличительными признаками структуры и рельефа.

Сущность механизма образования поверхностного слоя иллюстрируется на примере АЭХШ сплава BKI5. Первая.стадия выхаживания характеризуется преобладанием резания в пластического деформирования. На этой стадии пластическая деформация концентрируется на кобальтовой составляющей, которая равномерно распределена по поверхности твердосплавной заготовки, что характерно и для Ali. Преобладающее механическое воздействие на кобальтовую менее

твердую и упругуи, чем карбидные зерна, не.способствует созданию . в поверхностном слое максимальных сжимающих остаточных напряжений, которые не превышают 800 - 1000 Ша (рис.4). С увеличением Ы нач' от I до 9 В уменьшается продолжительность первой стадии, и при Ц нач > 8,5 - .9 3 ее длительности близка к нулю, поверхностный слой имеет выраженные признаки анодного растворения и электроэрозконнаго воздействия. ' .

Для второй стадии выхаяивания характерно снижение начального давления кру~" на поверхность заготовки с 1,5 - 0,9 до

0,6 - 0,5 Ша, уменьшение количества режущих и увеличение пластически деформирующих зерен. С увеличением Ц нач уменьшается толщина слоя Со на поверхности заготовки в результате возрастания доли анодного растворения, и в конечном итоге обнажаются карбидные зерна, вцявляется структура твердого сплава на поверхности заготовки. Рластичесная деформация - от действия алмазных зерен концентрируется на карбидной фазе, что сопровождается-возникновением максимальных остаточных напряжений сжатия, достигающих - 1500 Ша, увеличением степени наклепа поверхностного слоя. Для различных значений 11 нач время протекания второй стадии различно, и соответственно максимальные остаточные сжимающие напряжения соответствуют различному времени выхаживания (см. рвс.4).

QfS шн

qa

0,01,

к А

N \ 1

\ ч. 2

О

ИГТЯ -503

-то

4.

MUtf 10

-то

1/

\ Y/,

8 /пиv S2

Г-

Рис.3. Зависимость шероховатости' поверхности твердого сплава BKI5 от времени выхаживания :

I - U= 0; 2 - U = 1,8 В; 3 - U = 4 В.

Рис.4. Зависимость величины остаточных напряжений от времени выхаживания при АЭХШ твердого сплава BKI5: Г - = 8 В; 2 - U= 4,2 В; 3 - U~ Е,8 В.

На заключительной стадии алмазные зерна осуществляют в основном упругую деформацию поверхностного слоя, не оказывая существенного влияния на его физико-механические характеристики, но интенсифицируют процесс анодного растворения поверхностного слоя. Происходит снижение Рнач до 0,2 - 0,3'Ша и увеличение и иач, от величины которого преимущественно зависит состояние поверхностного слоя. При рациональном интервале И нач 3,8 - 2 В увеличение напряжения до значения И кон 3,0 - 3,2 В активизирует процесс окис-, ления карбидных зерен. Анодное растворение кобальтовой составляю-

щей замедляется вследствие образования окисной формы , переходящей на прослойки Со. Б этом случае отсутствует избирательное анодное растворение кобальтовой фазы., депаосивирующэе действие, алмазных зерен концентрируется на зернах 1УС , что способствует сглаживанию их верши и снижению шероховатости поверхности Ка до 0,04 - 0,08 шт. Увеличение Ц кон выше оптимального значения привс-дт к избирательному анода ому растворению кобальта . и увеличению шероховатости Ва до С,3 - 0,4 мкм. Регулируя длительность вихаллвания и величину Ц кон-, можно управлять уровнем напряженного состояния поверхностного слоя, получая при этом требуемые параметры шероховатости и структуру поверхностного слоя, отличительной особенностью которой яьляется формирование вис-тунов неровностей износостойкими карбидными зернами.

Промышленные испытания прорезных фрез из твердых сплавов ВК15 и ТТ7К12 диаметром 42 и 67 ми показали, что при снижении

------- ьероховатости торцевых поверхностей Ва от 0,63 до 0,04 мкм и при

повышении уровня остаточных" сшшаших'' напряжений - от - 300 до-------------

- 1500 Ша для фоеа, полученных АЭХШ с выхаживанием приШгад = = 1,8ч- 2 В, стойкость инструмента повышается с 960 до 1470 'мин при обработке брснзы Бр МН 10-4-4 и с 670 до 960 мин при обработке стали 38ХЩ1. Увеличение неплосноотноотм с 0,01 до 0,05 ш увеличивает количество поломок инструмента на 50 - 70 % и снижает среднюю стойкость в 2,5 - 3 раза.

Исследование торцевых поверхностей фрез, изготовленных АН! и АЭХШ, показало, что износ фрез, изготовленных АЭХШ с вчхаживани-ем при И нач = 1,8 - .2 Б, протекает менее интенсивно, чем фрез, поверхность которых получена с преимущественным воздействием механического резания или анодного растворения. Формирование выступов неровностей поверхностей фрезы твердыми зернами \Л/С . имеющими оглаженную форму, значительно снижает интенсивность адгезионного и абразивного износа, так как износ карбидных зерен в этом случае длительное время носит диффузионный характер, Этим объясняется повышение на 20 - 25 % стойкости фрез, имеющих одинаковое значение параметра шероховатости поверхности Ва.

На оснований результатов проведенных исследований .разработаны методика проектирования и технология изготовления прорезных фрез, использование которых позволяет получить инструмент требуемых качества и точности изготовления при обеспечении его эксплуатационной прочности. Иолояечия методики и результаты исследований использовались при создании участка для АЭХШ твердосплавных фрез

г?.

на "Тулаточмаш", при изготовлепи партий фрез для ПО "Запорож-траясфорштор" и болгарской фирмы "CIME" на опытных установках, модернизированных в условиях ТулШ. Но сравнению с традиционно применяемой технологией, включающей операции абразивного и алмаз-ного шлифования, достигнуто повышение сродней стойкости фрез на 20 - 25 % и снижение чх хрупкого разрушения на 30 - 35 % при уменьшении трудоемкости изготовления инструмента в среднем на 40 - 45 %.

3, ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На оснований анализа условий работы, причин разрушения и технологических показателей традиционных методов обработки прорезных фрез установлено, что существутоьцая технология обработки шлифованием не позволяет одновременно повысить точность изготовления и качество рабочих поверхностей инструмента при высокой производительности. Анализ конкурентоспособных методов обработки показал, что при АЭХШ возможно нахождение г 'тикапьного сочетания анодного и механического воздействий, обеспечивающего эффективность применения АЭХШ на предварительной л фянишней стадиях изготовления инструив а та.

2. Анализ напряженно-деформированного состояния работающей прорезной фрезы показал, что увеличение неплосностности свыше 0,03 - 0,04 ш является основной причиной возникновения малых боковых нагрузок," приводящих к потере устойчивости и разрушению инструмента при его работе.

3. На основании теоретических исследований определен1' основные пути повышения прочности инструмента: увеличение диаметра при обеспечении устойчивости фрезы, повышение точности изготовления, применение прочных твердых сплавов с повышенньл содержанием кобальта, которые предопределили направления экспериментальных ис-

. следовангЧ по нахождению эффективных режимов обработки для различных типоразмеров твердосплавных заготовок, изготовленных с разной точностью из твердых сплавов.марок БК8-, EKI5, TT7KI2, обеспечивающих повышение прочности прорезных фрез.

4. Определены схема и режима обработки, оказывающие наибольшее влияние на неплоскостность и разнотолгдашость фрез п обеспечивающие достижение интенсивного исправления исходных погрешностей заготовок толщиной 0,3 - 1,5 мы диаметром 40 - 80 мм при высокой производительности процесса: напряжение 8 - 9 В, скорость резания 24 - 26 м/с, окружьая; скорость заготовки 10 - 12 м/млн, давление

круга на обрабатываемую поверхность 0,3 - 0,5 Ша. Установлено, что после устранения исходной неплоскостности дальнейший съем припуска можно производить при значениях удельного давления 1,0 -- 1,5 Ша, обеспечивающих наибольшую производительность АЭХШ.

5. Изучение динамики изменения спектральной плотности шероховатости, структуры и физико-механических характеристик торцевых поверхностей твердосплавных заготовок прорезных фрез позволяло на примере сплава BKI5 выявить механизм формирования поверхностного слоя при АЗХИ с выхаживанием, учитывающий изменение падения напряжения на электродах и давления круга при съеме припуска, вызывакь цее переход процесса из стадии активного растворения в стадию пассивации за счет варьирования продолжительности и интенсивиос-

. ти вводного и механического воздействий.-Установлено, что для получения шероховатости поверхности ?а ^ 0,06 мим и сжимающих остаточных напряжений - 1500 № необходимо выхаживание проводить

__при начальной разности потенциалов на электродах 1,8 - 2 В. При

этом выступа"шероховатости-формируются .твердыми карбидными зернами и отсутствует избирательное анодное растворение кобальтовой фазы.

6. В результате испытаний.твердосплавных прорезных фрез в производственных условиях установлено повышение стойкости инструмента, обработанного на оптимальных режимах АЭШ с выхаживанием, на 20 - 25 % по сравнению с фрезами, обработан ними Ali). Например, при обработке стали 38ХМША фрезами 0 67x0,75 ш из твердого справа TT7KI2 при уменьшении шероховатости торцевых поверхностей Ра от 0,63 до 0,04 мнм и при повышении уровня остаточных сжимающих напряжений поверхностного слоя от - ЗОи до - 1500 Ша стойкость крез повысилась с G30 кин до 780 и с 670 мин до .960 соответственно для АШ и АЭХШ, что связано с образованием при АЭХШ блатопрг» ягной с точки зрения повышения износостойкости структуры поверхностного слоя.

7. Разработана методика проектирования твердосплавных прорезных фрез, позволяют определять рациональные схемы обработки'с учетом требуемых точности и качества изготовления паза детали, величины неплоскостности и геометрических размеров заготовок, услоч Вий обеспечения прочности фрезы, устанавливать'оптимальные режимы АЭХШ.

8. Разработаны в внедрены в производство усовершенствованные технологические процессы и способы (A.c. I57626I, пол.реш,по заявке J5 47635Б2) плоского, внутреннего, круглого АЭХШ твердосп-

ладных прорезных фрез на модернизк.юванных станках моделей 3MS42, 6322Э, ЗК225В, Р2. Внедрение результатов исследований позволило достигнуть снижения поломок инструмента во вреня работы на 30 -- 35 %, повышения средней стойкости на 20 -25 %, снижения трудоемкости изготовления инструмента в 1,4 - 1,5 раза, улучшения товарного вида до уровня лучших зарубежных аналогов. Суммарный годовой экономический эффект от внедренных разработок составил 76 тыс .руб.

Содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Могильников В.А., Ковалев С.Л., Шушкевич Г.А. Качественные показатели процессов абразивной в алмазно-электрохимической заточки твердосплавного инструмента // Элентрохим. и электрофяз. методы обработки материалов. - Тула, 2986. - С. 142-144.

2. Коробочкин А.И., Ковалев С.Л., Троицкий H.A. Износ алмазов при алмазно-электрохимическом шлифовании // Электрохимическая обработка деталей машин. - Тула, 1986. - С. 145-147.

3. Коробочкин А.И., Ковалев С.Л., Троицкий H.A. Качество поверхности твердосплавного инструмента после алмазно-электрохимического шлифования // Электрохим. и электрофлз. методы обработки материалов. - Тула, 1987. - С. 122-127.

4. Коробочкин А.И., Ковалев С.Л., Троицкий I1.A. Электрохимическая обработка деталей с прерывистыми поверхностями // Электрохимическая анодная обработка металлов. - Иваново, 1988. - С. 119.

5. Чмир М.Я., Коробочкин А.И., Ковалев С.Л. Управление составляющими процесса алмазно-электрохимического шлифования // Гибкие производственные системы в элентротехнологии. - Уфа, ^988. -С. 140-142.

6. Коробочкин А.И., Ковалев С.Л., Троицкий H.A. Алмазно-электрохимическое шлифование труднообрабатываемых материалов // Пути интенсификации процессов абразивной, алмазной и упрочнякшюй технологии деталей двигателей я агрегатов. - Куйбышев, 1908. - С. 45.

7. Атаазно-элентрохимическое шлифование пазовых фрез / Коробочкин А.И., Ковалев С.Д., Троицкий.H.A., Дьяченко Н.В., Шуике-вич Г.А. // Передовой опыт. - 1909 . - й 3, С. 27-28.

8. Повышение качества обработки узких пазов за счет применения прорезных фре? о параллельными торцами / Коробочкин А.П., Ковалев С.Л., Дьяченко Н.З.,' Лашиев С.И. //Передовой опыт. - 1989. -Я 5, С. '51-53.

■ 9. Коробочкин ч;И., Ковалев С.Я. Выбор электролита для A3X1J труднообрабатываемых материалов )J Элекгрохим, и электролиз, ме-

тодн обработки материалов, - Тула, 1989. - С. 83-89.

10. Коробочкин А.И., Ковалев С.Д. Особенности формирования шероховатости поверхности диоковшс фрез при АЭХШ // Электрохим., электрофиз. и. лаэерние методу обработки. - Ижевск, 1989, - С. 21.

11. A.c. I5763SIСССР, Ш15 В23Н 5/06. Способ электрохимического шлифования / Чмир М.Л., Коробочкин А.И., Ковалев C.JI., ТроицкиМ H.A., Пупкевич Г.А., Печников А.И. (СССР). - 3 4463593/31-08; Задач. 19.07.88; Опубл. 07.07.90, Бюл. №25.-3 с.

12. Коробочкин А.д., Ковалев 0.1., Иряхвн Ю.Ы. Торцевое ал-маэно-элек';рохю/,ическое шлифование твердосплавных фрез // Элек-•трохим. и электрофиз. методы обработки материалов. - Тула, 1990. - С. 107—III»

13. A.c. ... СССР, Ш545 В23Б 5/06. Способ алмазно-электрохи-мичесиого шлифования / Коробочкин А.И., Ковалев 0.1., Чмир 1.1.Я., Троицкий H.A. (СССР). -Пол. реш. по заявке К 4763582 от 11.09.90; Заявл. 30.11.89.

ß

Соискатель WAj'k^zi С. I. Ковалев

Подписано н печати 05.11.91. Формат бумаги 60хё4 I/I6. Бумага типогр. Iii 2. Офсег.печ. Усл.неч.лЛД. Уч.-изд.лД,0. Тира» 1С0экэ. Заказ й 960. Бесплатно.

Издана в Тульской ордеш Трудового Красного Знамени политехнической институте. Тула,ул.£олдииа,151. Отпечатано на ротапринта в Тул1Ш.