автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества изделий из твердых сплавов технологическими методами

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЕСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ (ВТУЗ - ЗИЛ)

Р Г 5 О Д На правах рукописи

экз._

- 'а ОПТ 1935

ЕВСТРАТОВ СТАНИСЛАВ СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 05.02.08. - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Московского автомобилестроительного института (ВТУЗ-ЗИЛ)

Научные консультанты - академик AT РФ, доктор технических

Официальные оппоненты - член-корр. АТН РФ, доктор технических наук, профессор Смоленцев В. П. - кандидат технических наук, доцент Якухин В. Г.

Ведущее предприятие: АО "МОСКОВСКИЙ ПОДШИПНИК"

Защита диссертации состоится "_30_" _октября_1995_г.

б 14®° часов на заседании диссертационного совета К 064.02. 03 "Технология и оборудование в машиностроении" Московского автомобилестроительного института по адресу: 109068, Москва, Автозаводская ул,, 16, Зал заседаний ученого совета.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_"___199__г.

Ученый секретарь

наук, профессор Гаратынов О. В.

- кандидат технических наук,

доцент ! Голосов И. П. |

диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

С. И. Богомолов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Современное машиностроение предъявляет эстоянно возрастающие требования к эксплуатационной надежности и элговечности твердосплавного режущего инструмента, особенно при ¿пользовании его в условиях автоматизированного производства.

Работоспособность инструмента в значительной степени опреде-зется состоянием поверхностных слоев его рабочих граней. В связи этим при проектировании новых и совершенствовании существующих эхнологических процессов обработки твердосплавного инструмента аряду с увеличением производительности должно быть обеспечено эюокое качество его рабочих поверхностей.

Одними из важнейших показателей качества являются уровень и нак остаточных напряжений, возникающих в поверхностных слоях вердосплавных пластин при алмазно-абразивной обработке.

Технологические остаточные напряжения (б0ст) сохраняются в рупких материалах вплоть до момента их разрушения и поэтому олжны оказывать существенное влияние на прочностные характерно-ики твердосплавного инструмента. Однако, количественная оценка акого влияния, устойчивость остаточных напряжений в твердых плавах при повышенных температурах, а также вопросы их формиро-ания и возможности регулирования технологическими методами с елью повышения эксплуатационных свойств твердосплавного инстру-ента изучены крайне недостаточно.

Дальнейшие углубленные исследования в данном направлении и азработка научно-обоснованных рекомендаций для реализации в про-ышленности являются актуальными современными задачами.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью работы является повышение аботоспособности твердосплавного режущего инструмента путем ре-улирования остаточных напряжений технологическими методами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить сле-уюпще задачи:

1. Обосновать гипотезу формирования остаточных напряжений и ровести аналитическое исследование кинетики напряженного состоя-ия поверхностных слоев твердосплавной пластины при шлифовании.

2. Разработать методику определения технологических остаточ-:ых напряжений в поверхностных слоях твердосплавных пластин.

3. Экспериментально исследовать влияние режимов резания при лмазном и электроалмазном шлифовании твердосплавных пластин на :роизводительность обработки, шероховатость поверхности, величину [ знак остаточных напряжений.

- г -

4. Экспериментально определить зависимость релаксационной стойкости технологических остаточных напряиений от температуры и продолжительности нагрева, а также влияние б0ст на статическую прочность твердых сплавов при изгибе.

5. Обосновать технологические условия формирования рабочих поверхностей твердосплавного инструмента с требуемыми физика-механическими свойствами.

6. Разработать научно-обоснованные рекомендации для реализации результатов исследований в производстве.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические задачи в работе решались на базе теории упругости и пластичности с применением методов структурного анализа. Экспериментальные исследования проводились на образцах из твердых сплавов Т5К10, Т15К6, ВК8.

Для определения б0ст была спроектирована и изготовлена установка с непрерывной регистрацией величины деформации образцов в процессе электрополирования. Расчет напряжений производился по формуле Н.Н.Даввдеккова-И.А.Биргера, модифицированной соискателем применительно к консольной схеме закрепления образцов с удлинителями для повышения точности измерений, на ЭШ МЕРА 100-25 по специально разработанной программе. Прочностные испытания осуществлялись по схеме чистого изгиба, являющейся более чувствительной при выявлении роли поверхностных дефектов по сравнению со стандартной схемой поперечного изгиба сосредоточенной нагрузкой.

Применение планируемых многофакторных экспериментов позволило получить зависимость интенсивности съема, высоты микроиеровностей и остаточных напряжений от режимов алмазного и электроалмазного шлифования в виде математических моделей. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики. Сравнительные стоимостные испытания режущего инструмента, изготовленного по заводской и предлагаемой технологии, проводились в производственных условиях ЗИЛа и ГПЗ-1.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Обоснована гипотеза формирования остаточных напряжений в твердосплавном материале при шлифовании. Разработана математическая модель процесса шлифования твёрдосплавной пластины торцом абразивного и алмазного кругов и впервые аналитически рассчитаны возникающие в ней при этом временные и остаточные напряжения. На основании проведенных расчетов исследована кинетика напряженного состояния поверхностных слоев твердосплавной пластины в контактный и неконтактный периоды процесса шлифования, что позволило установить влияние технологичес-

- з -

ких факторов на процесс формирования остаточных напряжений и решить задачу об их регулировании технологическими методами.

Разработана методика и сконструирована установка для экспериментального определения остаточных напряжений в поверхностных слоях твердосплавных пластин.

Получены математические зависимости интенсивности съема, величины микронеровностей и бССт от режимов резания и марки твердого сплава при алмазном и электроалмазном шлифовании торцом крута.

Установлено наличие тесной корреляционной связи между величиной остаточных напряжений и пределом прочности твердых сплавов при изгибе и дано её математическое описание.

Предложены эмпирические зависимости для количественной оценки влияния температуры и продолжительности нагрева на коэффициент релаксации бСст в твердосплавных пластинах из сплава Т15К6.

Разработаны научно-обоснованные рекомендации для реализации результатов исследований в производстве.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации по оптимизации процессов электроалмазной и алмазной заточки и доводки твердосплавных многогранных неперетачиваемых пластин, а также напайного инструмента с обеспечением требуемых параметров качества их рабочих поверхностей.

- Для успешной реализации результатов исследований в промышленности и учебном процессе МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ) наряду с методическими рекомендациями и технологической документацией, было разработано несколько оригинальных приборов и устройств:

- установка для определения остаточных напряжений в образцах типа прямоугольных стержней ( одна была передана для эксплуатации в центральную абразивную лабораторию ЗИЛ, вторая использовалась для проведения лабораторного практикума в МАСИ).

- многоместное устройство для высокопроизводительного шлифования твердосплавных многогранных неперетачиваемых пластин (внедрено в инструментальном цехе ГГО-1).

- портативный проектор для исследования характера и величины износа по задней поверхности напайных твердосплавных резцов, а также для установления минимально необходимого припуска на их переточку (передан для эксплуатации на ЗИЛ).

ПУБЛИКАПИИ. По материалам диссертации опубликовало 26 работ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались на республиканской межвузовской научно-технической

конференций (НТК) "Теории формирования технологических напряжений и их инженерное приложение" (г.Запорожье, 1969), 3-ей Всесоюзной конференции "Новое в электрохимической размерной обработке металлов" (г.Кишинев, 1972), НТК молодых специалистов НИИТавтопром -ЗИЛ (г.Москва, 1973,1976,1977), семинаре "Электрофизические и электрохимические методы обработки металлов" (г.Москва,1975), республиканской НТК "Современные технологические методы повышения качества, надежности и долговечности изделий машиностроения" (г.Кишинев, 1981), Всесоюзной НТК "Современные проблемы технологии машиностроения" (г.Москва, 1986), Технических советах ЗИЛ и ГПЗ-1, научно-методических семинарах кафедры "Технология машиностроения" и НТК МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ), Методической конференции "Эффективные методы обучения" (г.Москва, 1994).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы (81 наименования) и приложения. Содержит 136 страниц машинописного текста, 11 таблиц и 32 рисунка .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при склонности материала к хрупкому разрушению технологические остаточные напряжения оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин и в первую очередь на статическую и усталостную прочность. Естественно ожидать, что воздействие остаточных напряжений на прочностные характеристики твердых сплавов, относящихся к группе высокотвердых материалов, должно быть весьма значительным. Однако, сведения по данному вопросу в литературных источниках крайне ограничены.

Современный уровень развития аналитических методов расчета остаточных напряжений не позволяет точно определять их величину и глубину залегания при алмазно-абразивной обработке.

Среди известных в настоящее время экспериментальных методов определения 60ст широкое распространение получили рентгеновский и механический методы. При оценке величины, знака и характера распределения бост в поверхностных слоях деталей типа стержней наиболее надежные результаты дает метод замера прогибов.

Имеющиеся в литературе сведения о технологических остаточных напряжениях в твердых сплавах ограничены и противоречивы. В основном они получены рентгеновским методом (Гладких Л.И., Свердлова Б.М.,Фукс М.Я., ОИшал 5., Рагпаша Е.,Ра1т^у1з1 Б., Салмин

В.Д., Комарова Н.Ф. и др.) с выявлением напряжений отдельно для каждой фазы сплава (преимущественно для карбидной), что не позволяет судить о напряженном состоянии поверхностных слоев материала в целом и проводить количественную оценку влияния остаточных напряжений ка прочностные характеристики твердых сплавов. Данные, приведенные в работах Дегтяренко Н.С..Куклина Л.Г..Сагалова В.И.,Серебровского В.В., Шабашова С.П., Иванова А.Н.,Белостоцкого В.А..Хаета Г.Л. .Украинцева Г.А..Лоиака М.Г.,Смагленко Ф.П. показывают принципиальную возможность использования механических методов для определения остаточных напряжений в гетерогенных высокотвердых материалах. Однако, о достоверности полученных авторами величин остаточных напряжений трудно судить из-за отсутствия в публикациях точностной оценки результатов измерений и расчетов. в опубликованных источниках нами не обнаружено систематизированных сведений об остаточных напряжениях в твердосплавном материале после электроалмазного шлифования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБРАЗОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

Исходя из существующих представлений о причинах образования технологических остаточных напряжений, была обоснована гипотеза о механизме их формирования в поверхностных слоях твердосплавных пластин при шлифовании, в соответствии с которой величина и знак результирующих остаточных напряжений зависят от соотношения двух одновременно действующих в процессе обработки факторов: силового и температурного полей. При превалирующем действии силового фактора в поверхностных слоях твердосплавной пластины должны формироваться остаточные напряжения сжатия, а при преобладании температурного воздействия - остаточные растягивающие напряжения.

Для подтверждения высказанной гипотезы в работе сделана попытка аналитически оценить влияние технологических условий обработки на уровень и знак остаточных напряжений, возникающих в твердосплавной пластине при плоском шлифовании торцом круга.

В основу исследования напряденного состояния твердосплавной пластины, на торец которой действует тепловая и механическая нагрузки, был положен метод структурного анализа, разработанный профессором В.В.Абрамовым для решения задачи о временных и остаточных закалочных напряжениях, возникающих в пластинах из однородного и неоднородного металлов.

Структурный подход дает возможность проанализировать раздельное и совместное влияние температурных и силовых полей на форми-

- б -

рование временных и результирующих остаточных напряжений на всех этапах процесса шлифования.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Шлифуемая твердосплавная пластина мысленно разбивается на п слоев одинаковой толщины. Для любого промежутка времени процесса обработки считаются известными приращения относительных температурных £1, "силовых" ес и суммарных е = г1 + е с расширений в каждом свободном слое, а также значения модуля упругости Е и предела текучести бт для этих слоев при заданной температуре. Из условия механического равновесия внутренних сил и совместности деформации слоев можно составить систему из п уравнений, преобразование которой приводит к соответствующим выражениям для вычисления величины изменения напряжения в любом слое пластины в пределах упругости.

При наступлении пластической деформации в каком-либо слое ш напряжение в нем остается постоянным и равным 6Т. ш-Статическая неопределимость "системы слоев" уменьшается на единицу.

Характер изменения приращений г во времени устанавливается по кривым распределения температурных и силовых полей по сечению пластины, построенных для ряда моментов времени процесса шлифования. Результирующая величина напряжений в любом слое бр получается путем алгебраического сложения всех предыдущих слагаемых нал-ряжений, не превышая предела текучести, соответствующего температурному состоянию слоя в рассматриваемый момент времени.

Имея данные о распределении температур по сечению пластины в любой момент контактного и неконтактного периодов шлифования, полученные на основании решений дифференциальных уравнений теплопроводности (по А.В.Лыкову), можно рассчитать тепловую деформацию каждого свободного слоя по формуле - се*Т(у,х), (1)

где « - коэффициент термического расширения твердого сплава.

Определение деформации слоев обрабатываемой пластины от силового воздействия шлифовального круга производилось по формуле 4 Ру ц

£--, (2)

2уД Н В Кг Е У

где Ру - нормальная составляющая силы резания;

ц - коэффициент Пуассона;

2уД - количество зерен на 1 мм2 поверхности круга;

Н - ширина твердосплавной пластины;

В - ширина рабочей поверхности круга; К2 - коэффициент затупления зерна;

az - толндана среза, приходящаяся на одно активное зерно; у - глубина расположения рассматриваемого слоя под обрабатываемой поверхностью.

При выводе формулы (2) был использован подход, предложенный Е.Н.Некрасовым, с допущениями о превалирующем воздействии нормальной нагрузки на формирование силового поля при плоском шлифовании и сохранении принципа суперпозиции (независимости) теплового и механического воздействия шлифовального круга не только в зоне упругих, но и пластических деформаций.

Силовое воздействие шлифовального круга на деформацию поверхностных слоев учитывалось без эффекта. Упругого последействия при снятии внешней нагрузки.

Вычисление временных и остаточных напряжений производилось по формулам, приведенным в главе 2 диссертации.

Напряженное состояние твердосплавной пластины рассматривалось последовательно на трех этапах процесса шлифования:

- в конце контактного периода;

- в начальный момент охлаждения;

- при полном остывании пластины,т.е. при Т(у) - const.

Анализ выполненных расчетов позволяет считать, что напряженное состояние, возникающее в пластине в конце контактного периода, оказывает решающее влияние на величину и характер распределения результирующих остаточных напряжений. Перераспределение напряжений на этапе остывания пластины носит чисто упругий характер в силу ограниченной пластичности твердых сплавов при пониженной температуре и сравнительно невысоких скоростей охлаждения.

В работе проанализировано влияние основных технологичесчких факторов на величину температурных напряжений б'ь управляя которыми можно регулировать уровень и знак результирующих остаточных напряжений при шлифовании твердых сплавов.

Аналитический расчет временных и остаточных напряжений, возникающих в твердосплавной пластике при шлифовании, в силу ряда допущений при выборе математической модели процесса обработки и ограниченности исходных данных носит приближенный характер. Однако он позволяет проследить кинетику формирования напряженного состояния в обрабатываемой пластине и обоснованно подойти к решению задачи о создании остаточных напряжений требуемого уровня и знака изменением условий обработки.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТВЕРДОСПЛАВНЫХ СТЕРйНЕВЫХ ОБРАЗЦАХ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ На основе анализа существующих методов бала обоснована и разработана методика, спроектирована и изготовлена установка для экспериментального определения остаточных напряжений в поверхностных слоях твердосплавных пластин с учетом специфики свойств металлокерамических материалов. Конструкция установки позволяет осуществлять тонкую настройку и измерять весьма малые изгибные деформации твердосплавных образцов с погрешностью ± 0,25мкм. Это достигнуто сочетанием высокой чувствительности тензометрического измерительного устройства с увеличением прогибов исследуемых образцов за счет консольного их закрепления и применения удлинителей, а также отработкой технологических параметров процесса электрополирования для удаления напряженных слоев (состава электролита, защитных покрытий, режимов обработки).

Для вычисления остаточных напряжений по измеренной деформации образца выведена формула, представляющая собой модификацию извест-формулы Н.Н.Давиденкова - И.А.Биргера, применительно к принятой измерительной схеме с учетом свойств твердосплавных образцов, Е в

бост--С № - а)г--4 01 - а) П,

311(11 + 212) с}а

где Е - модуль упругости твердого сплава;

Ц - длина участка электрополкрования пластины;

¡2 - расстояние от конца участка электрополирования до точки контакта пластины с измерительным наконечником;

Ь - исходная толщина пластины;

а - толщина снятого слоя;

Г - получаемая при этом величина прогиба пластины;

<ИГ/с1а - отношение приращения прогиба пластины к толщине снятого 1 - того слоя.

Полученная зависимость позволяет проводить вычисления при использовании образцов с изменением соотношения Н и 1г в широких пределах. На установке можно исследовать образцы общей длиной 2(Н +12X100 мм. Максимальная ошибка при определении б0ст в твердосплавных пластинах по разработанной методике не превышает ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

ПОСЛЕ АЛМАЗНОГО И ЭЛЕКТРОАЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ В практике обработки инструментов из твердых сплавов широкое

распространение получили методы алмазного и злектроалмазного шлифования торцом круга. Благодаря уникальным тепло-физико-механическим свойствам алмазов и высокой режущей способности алмазных кругов эти методы повсеместно вытесняют абразивную заточку кругами из карбида кремния. Однако интенсификация процессов алмазной обработки может привести к снижению показателей качества поверхностного слоя и. как следствие, эксплуатационных свойств твердосплавного режущего инструмента.

Для выявления условий наиболее эффективного использования алмазного и электроалмазного шлифования в процессе заточки твердосплавного инструмента было проведено сравнительное исследование интенсивности съема и качества получаемой поверхности (величины микронеровностей и остаточных напряжений) в зависимости от метода и режимов обработки, а также марки твердого сплава.

Шлифование производилось на заточном полуавтомате фирмы "Вендт" по схеме упругого непрерывного контакта обрабатываемого образца и алмазного круга с регламентированным усилием прижима. Эта схема является наиболее перспективной для обеспечения требуемого качества обработки. Образцами служили специально изготовленные призматические пластины размером 100x11x4 мм из твердых сплавов Т15К6,Т5К10 и ВК8. Обработка осуществлялась кругами на металлической связке ТМ2-5 формы АПВ 0 250 мм с шириной алмазоностного слоя 20 мм, зернистостью АСВ 100/80, 100%-ной концентрации. Выбор кругов такой характеристики был обусловлен их широким применением в инструментальном производстве и рекомендациями ряда исследований. Режимы шлифования: VKp = 20 м/с; Snp - 1...3 м/мин; Руд -= 0,5...1,0 МПа; плотность тока при электроалмазном шлифовании (ЭАШ) составляла 30...70 А/см2. Электролитом служил водный раствор нитрата и нитрита натрия (NaNÜ3 - 5%; NaNOo - l Z).

с целью минимизациии общего количества опытов, оценки влияния варьируемых факторов (Бпр.Руд ,% Со) и эффектов их взаимодействия на исследуемые параметры процесса (Q.Ra.ßoc-r) был поставлен полный факторный эксперимент типа N-23. В качестве математической модели процесса, базирующейся на методах регрессионного анализа и устанавливающей форму связи между функцией отклика и переменными факторами, был выбран полином первой степени вида у= Ь0 + bixi + Ьгх2 + Ьзхз + bi2xix2 + Ьгзхахз + Ьггзхгхгхз .

Обработка результатов эксперимента позволила получить следующие зависимости для условий алмазного и электроалмазного шлифования: с кодированными значениями варьируемых факторов

Од- 1409,8 + 160,0 Х1+ 560,5 96,8 Х3+- 169,8 Х!Х2+ 56,5 Х,Хз

Б (Ь^) - 20,8; • йЬ; - ± 47,8

Оэа " 1612,6 + 216,1 XI + 592,1 Х2 - 75,9 Х3 + 204,1 Ха Х2 Б (Ь^ ) - 24,6; ЛЬ^ - ± 56,6

ЯаА ~ 0,151 + 0,012 X! + 0,035 Х4 Х2

5 (Ьз ) - 0,002; - ± 0,005

РаЭА - 0,203 - 0,016 Хх + 0,027 Х4 Хг

5 (Ьз ) - 0,004; ЛЬ0 - ± 0,009 бостА " " 240,0 - 18,0 Ха + 9,0 Хг " 8,8 Х3 ,

3 (Ь,- ) - 2,31; ДЬ0- - ± 5,32

бостЭА - - 131,4 - 13,1 Ха + 27,6 Х2 - 5,4 Х3 , Б (Ьз ) - 2,14; ЛЬ; - ± 4,92,

где Б(Ьз) - средняя квадратическая ошибка коэффициента регрессии;

ЛЬ; - доверительный интервал значимости коэффициента регрессии: с натуральными значениях« варьируемых факторов Од -1265,8-575,3*БПР+88,4*РУД-104,9*С0+67,9лБПр*Руд+28,3*Бпр*С0 Озд-934,3 - 39б,2*Блр + 73,6*РУД - 38,0*Со + 81,6*3 *РУД Иад -0,335 - 0,092*Бпр - 0,028*РУД + 0,014*3ПР *Руд , РаЭА -0,397 - 0,097*Бпр- 0,022*РУД + 0,011*Бпр *РУД , бостА —1960 - 180*БПР + 36*РУД - 44*С0 , бостЭА —1664 - 131*БПр + 110*РуД - 2У*С0 •

Следует помнить, что при анализе степени влияния варьируемых факторов на величину искомой функции с помощью коэффициентов b1.b2.b3 , а также эффекта взаимодействия соответствующих факторов с помощью коэффициентов Ьаг.Ьгз.Ьхгз следует пользоваться только теми уравнениями регрессии, в которых независимые переменные Х1 , Хг и Хз записываются в кодированном виде ( + 1 или -1).

При проведении исследований, описанных выше, параллельно с основными образцами шлифовались призматические итабики из сплава Т15К6 размером 5x5x35 мы, являющиеся стандартными образцами для прочностных испытаний твердых сплавов. Статическая прочность шлифованных штабиков оценивалась методом чистого изгиба.

При определений необходимого числа образцов п для прочностных испытаний исходили из того, . чтобы принятый объем выборки обеспечивал оценку среднего значения прочности и среднеквадратического отклонения с заданной степенью точности и надежности. Испытания показали, что наиболее высокую прочность имеют образцы, подвергнутые алмазному шлифованию. Их средняя прочность при изгибе оказалась на 17% выие, чем у пластин в состоянии поставки, в то время как после электроалмазного - всего на 11%.

Методом регресионного анализа было установлено наличие корреляционной связи между величиной бОСт и среднеарифметическим значением статической прочности твердых сплавов при изгибе бИзг- Математически эта зависимость выражается уравнением

бизг™ бизго ~ К б0СТ»

где бизго - изгибная прочность твердого сплава при нулевом уровне остаточных напряжений;

К - коэффициент регрессии, учитывающий степень влияния на

статическую прочность; б0ст~ максимальная величина технологических остаточных напряжений с учетом знака. Для сплава Т15К6 это уравнение принимает вид бизг " 1,ИЗ*103 - 0,1*бОСт.

С точки зрения надежности работы твердосплавного инструмента наиболее важной его прочностной характеристикой является не сред-неарифмитическое значение прочности,а её минимальная величина, гарантированная с вероятностью Р-90...95Х. Это значение прочности является особенно важным при эксплуатации инструмента на поточных и автоматических линиях в условиях принудительной его замены. Анализ показывает,что гарантированная с Р=*95% прочность имеет ещё более тесную связь с уровнем б0ст ( коэффициент корреляции г=0,985, в то время как для бИзг г-0,925). При этом степень влияния (коэффициент К) возрастает более чем втрое.

Для сплава Т15К6 бИЗГ(р=д5Х) -0,465*103 - 0,31*бОст . В то же время влияние высоты микронеровностей на статическую прочность твердых сплавов выражено значительно слабее. Регрессионный анализ свидетельствует, что при изменении {?а в пределах 0,108...0,258 мкм связь этого высотного параметра шероховатости со статическим пределом прочности твердого сплава Т15К6 характеризуется коэффициентом корреляции г=-0,518.

Технология обработки твердых сплавов, гарантирующая наведение бост сжатия в поверхностных слоях рабочих граней инструмента, может оказаться эффективной лишь в том случае, если уровень остаточных напряжений будет сохраняться достаточно высоким как в период хранения инструмента, так и в процессе его эксплуатации.

При эксплуатации инструмента его режущая часть находится под действием значительных тепловых нагрузок, что не может не сказаться на величине исходных остаточных напряжений и должно способствовать их релаксации. Оценку степени изменения исходных остаточных напряжений в зависимости от температуры Т и времени наг-

рева t удобно производить о помощью коэффициента релаксации напряжений к , определяемому по формуле к - б*0сх/б0ст> где бост - максимальная величина исходных остаточных напряжений; б*ост - текущее значение остаточных напряжений при релаксации.

Определив зависимость k -f (T,t), можно судить о степени влияния остаточных напряжений на прочностные характеристики твердосплавного инструмента, работающего в условиях высоких температур.

Для проверки релаксационной стойкости и установления искомой зависимости k -f (Т,Г) был поставлен следующий эксперимент. 24 плоских образца размером 100 х 11 х 4 мм из сплава Т15К6 были обработаны методом упругого алмазного торцового шлифования с охлаждением на ваточном полуавтомате фирмы "Вендт" ( круг АПВ 250 х 75 х 20, AGB 100/80,ТМ2-5, 100%; режим обработки: V кр - 20м/с; Snp - 3 м/мин; Руд - 1,0 МПа) для наведения в приповерхностном слое каждого образца 60ст сжатия одинакового уровня, затем все образцы были распределены на восемь групп по 3 штуки в каждой. Одна группа образцов предназначалась для определения средней величины максимальных остаточных напряжений, внесенных алмазной обработкой. Вторая и третья группы - для оценки степени релаксации исходных напряжений после длительного хранения при комнатной температуре, а остальные пять групп - для оценки релаксационной стойкости напряжений после термической обработки образцов с разной температурой нагрева и временем выдержки.

Термообработка образцов производилась в электропечи с графитовым нагревателем типа "asea" в среде водорода, содержавшей не более З*10~3% кислорода и 0,04...О,07 т/и3 воды.

После извлечения образцов из печи их сразу засыпали слоем флюса (буры) во избежание окисления. Остывшие образцы промывали в теплой воде для удаления остатков флюса.

Оценку остаточных напряжений в образцах всех восьми групп осуществляли по методике, изложенной в главе 3.

Эксперименты по проверке устойчивости остаточных напряжений в образцах из сплавов Т15К6, подвергнутых алмазному шлифованию и пролежавших после этого при комнатной температуре 6 и 12 месяцев, показали, что длительное хранение не приводит к заметному снижению остаточной напряженности поверхностных слоев.

Результаты эксперимента по температурному воздействию разной длительности на релаксационную стойкость б0ст в сплаве Т15К6 показали, что с увеличением температуры и времени нагрева релаксационная стойкость остаточных напряжений в приповерхностных слоях

шлифованной твердосплавной пластины стабильно уменьшается.

Наиболее интенсивное воздействие на релаксацию остаточных напряжений оказывает температура нагрева, увеличение которой от 600°С до 1000°С привело к снижению уровня б0сг соответственно от 92% до 38% их исходной величины. Однако даже при выдержке твердосплавного образца в нейтральной среде при Т - 1000°С в течение 20 мин исходные остаточные напряжения в приповерхностном слое пластин не только не исчезает полностью, а составляет еще почти 40% от их исходной величины. Длительность выдержки образцов при высокой температуре оказывает более слабое воздействие на релаксацию остаточных напряжений по сравнению с температурным.

Математическая обработка результатов эксперимента позволила получить искомые зависимости к - Г (Т) и к ■ для сплава Т15К6 в диапазоне температур 600°...1000°С и продолжительности нагреЕа от 10 до 30 минут

к (Т) = 1,13 + 2,5*10~4*Т - 1*10"6*Т2 , к (X) - 1,479 * -с"0-256.

Проведенные эксперименты дают основание считать, что даже при работе режущей кромки твердосплавного инструмента в условиях весьма высоких температур сжимающие б0сг. наведенные в рабочих поверхностях инструмента при заточке и доводке, продолжают оказывать заметное влияние на его прочностные характеристики.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ И ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для повышения прочностных характеристик твердосплавного режущего инструмента, снижения вероятности появления сколов и выкрашиваний режущих кромок при его эксплуатации необходимо в процессе заточки и доводки инструмента обеспечить наведение сжимающих остаточных напряжений высокого уровня в поверхностных слоях рабочих граней твердосплавных пластин с максимально возможной глубиной их проникновения.

Исходя из этого, технологический процесс упрочняющей обработки должен предусматривать следующую последовательность операций:

- на первом этапе методом высокопроизводительного электроалмазного шлифования торцом круга необходимо удалить основную часть припуска на обработку, обеспечив минимальную дефектность поверхностного слоя с наведением б0ст сжатия невысокого уровня;

- на втором этапе алмазным торцовым шлифованием на мягких режимах следует сформировать поверхностный слой с максимально воз-

можным уровнем сжимающих напряжений;

- на третьем этапе методом отделочно-упрочняющей обработки необходимо обеспечить увеличение глубины проникновения остаточных напряжений сжатия с одновременным снижением их градиента у поверхности и округлением режущей кромки.

Для реализации разработанных рекомендаций и обеспечения требуемого качества твердосплавных неперетачиваемых пластин, а также высокой производительности при заточке было разработано многоместное полуавтоматическое приспособление применительно к плос-кошшфовальнш станкам. Приспособление после успешных испытаний было внедрено в инструментальном цехе И13-1.

Для повышения прочности и износостойкости твердосплавных неперетачиваемых пластин на финишном этапе их обработки рекомендовано округление режущей кромки по замкнутому контуру с целью создания благоприятной эпюры распределения остаточных напряжений сжатия в тонком приповерхностном слое пластины.Кроме того, за счет округления кромки вершина режущего клина при эксплуатации инструмента будет находиться под действием рабочих сжимающих, а не растягивающих напряжений, как при работе острозаточенным инструментом. Производственные испытания на ЗИЛе показали, что наибольшее повышение стойкости ( до 70%) наблюдается при использовании пластин с радиусом округления режущих кромок до 30...35 мкм на тех операциях механообработки, где износ пластин без округления кромок происходит в виде выкрашиваний и сколов. Предложен способ и отработаны параметры виброабразивной обработки твердосплавных неперетачиваемых пластин, позволившие получать требуемую величину радиуса округления кромки с достаточной точностью.

Для исследования величины и характера износа твердосплавных напайных резцов после различных способов заточки и переточки был сконструирован проектор с оптико-механическим принципом действия. Упрощенная конструкция проектора позволяет использовать его в условиях цеховых заточных отделений для установления минимально необходимого припуска на переточку и тем самым способствовать экономному расходу твердосплавных материалов. Прибор передан для эксплуатации на ЗИЛ.

Испытания, проведенные в автоматическом цехе по производству роликовых конических подшипников на ГПЗ-1, показали, что предлагаемая технология заточки и переточки напайных твердосплавных резцов является эффективным средством предупреждения появления и развития трещин в режущих пластинах. Среднее количество переточек

в опытной партии фасочных резцов, затачивавшихся по предлагаемой технологии, составило 8,2 ( по заводской технологии - 3,1). Сток-кость резцов между переточками увеличилась на 22%, а суммарная стойкость ( до полного износа пластины) возросла в 2,72 раза.

Широкое внедрение механизированной заточки и доводки твердосплавных неперетачиваемых пластин и напайных резцов по предлагаемой технологии позволяет существенно повысить их стойкость и снизить расход дефицитных инструментальных материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

l.Ha основе положений теории упруго-пластического деформирования и механизмов абразивного микрорезания разработана модель формирования остаточных напряжений и теоретически исследована кинетика напряженного состояния поверхностных слоев твердосплавных пластин в процессе алмазно-абразивного шлифования торцом круга.

2.Обоснована методика и разработана установка для определения остаточных напряжений в твердосплавных прямоугольных пластинах способом измерения прогибов с расчетом напряжений на ЭВМ.

3.Экспериментально исследовано и математически описано влияние методов и режимов алмазного и электроалмазного шлифования торцом круга на уровень и знак остаточных напряжений, а тачже на производительность обработки и шероховатость поверхности.

4.Показано наличие корреляционной связи мевду бост и статическим пределом прочности твердых сплавов при изгибе с математическим описанием зависимости в виде уравнений регрессии.

5.Экспериментально оценено и математически описано влияние продолжительности и температуры нагрева твердосплавных образцов на релаксационную устойчивость технологических б0ст-

6.Проведенные исследования позволили обосновать технологические принципы формирования рабочих поверхностей инструментов из твердых сплавов с заданными физико-механическими свойствами при одновременном обеспечении высокой производительности обработки.

7.Апробация разработанных техпроцессов высокопроизводительной обработки многогранных твердосплавных пластин, а также заточки и переточки напайных твердосплавных резцов в производственных условиях ЗИЛ и ГГО-1 позволили исключить появление сколов и выкрашивании режущих кромок на операциях предварительного и получистоззо-го точения и повысить стойкость инструмента до 1,5 - 2 раз.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ: 1. Кузнецов A.M..Голосов И.П..Евстратов С.С. Исследование остаточных напряжений при шлифовании твердых сплавов i1 Тезисы докла-

дов республиканской межвузовской НТК.- г.Запорожье - Днепропетровск: Проминь, 1969. с.56.

2.Кузнецов A.M..Босинзон А.Я., Байор Б.Н., Козлов Б.А., Евстратов С.С. Многоместное устройство для высокопроизводительного шлифования неперетачиваемых твердосплавных пластин.- Информационный листок: Производственный опыт предприятий г.Москвы и Московской области. - М..-ГОШНТИ, N 526, 1970. 4с.

3. Кузнецов A.M..Давыдов Б.С., Евстратов С.С., Точный контроль износа твердосплавных резцов при,их переточке || Технология автомобилестроения: Научно-техн.сб. -М.: СИЦТА.N3,1971. с.70-72.

4. Зверев Е.К., Колесниченко В.Д., Цейтлин Л.Б., Иванов Г.В., Евстратов С.С. Пути повышения стойкости неперетачиваемых твердосплавных пластин И Автомобильная промышленность.- М.: Машиностроение, N 11, 1973. с.34-35.

5. Евстратов С.С. Остаточные напряжения в твердых сплавах при злектроадмазном шлифовании и их влияние на прочность инструмента! I Материалы семинара "Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов". - М.:МЦНТП,1975. с.74-79.

6. Евстратов С.С. Образование остаточных напряжений при алмазном шлифовании твердых сплавов || Научно-технический реферативный сб. "Алмазы и сверхтвердые материалы". - М.:НИИМАШ, вып.2, 1980.с.13.

7. Евстратов С.С., Пуртова Л.И. Технологические методы повышения эксплуатационной надежности изделий из твердых сплавов || Тезисы докладов Всесоюзной НТК. -М.:МВТУ им.Н.Э.Баумана,1986. с.206-207.

8. Евстратов С.С. Исследование релаксационной стойкости технологических остаточных напряжений в твердых сплавах || Межвузовский сб. научных трудов "Технология и производство деталей автомобильной техники". - М.:МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ),1990. с.37-41.

9. Евстратов С.С., Пуртова Л.И. Влияние технологии заточки на работоспособность твердосплавного режущего инструмента || Сб.научных трудов AT РФ "Технология и производство транспортной техники". - М.: МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ),1994. с.110...113.

10. Евстратов С.С. Аналитическое исследование влияния технологических условий шлифования на формирование бост в твердосплавной пластине || Сб. научных трудов AT РФ "Технология и производство транспортной техники".-М.: МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ),1994. с.114-117.

11.Евстратов С. С. Теоретический анализ кинетики напряженного состояния твердосплавной пластины при шлифовании || Вузовский сб. научных трудов сотрудников МАСИ. -М.: МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ),1995. с.124-126.