автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка процесса получения трубчатого алмазного инструмента электрофизическими методами

^1елоР$сский ордена трудового красного

I д д;ЗНАЩЯИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ВЛАСОВ Юрий Павлович

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТРУБЧАТОГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

05.03.01 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1993

Раоо'ш выполнена ь Институте мыт»! АН Б.

надежности

Научный руководитель - член-корреспондент АН В, ■ доктор технических наук, проу^осор ЛОРШКИН H.H.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ДВЧКО Э.М.,

кандидат технических наук КЛУССОН O.E.

Ведущее предприятие - Физико-технический институт

АН Б. •

г с

' Защита состоится "М " CS" 199J_г. в (с часов на заседании специализированного совета К ÜÖ6.02.0? но присуждению ученой стопвни кандидата технических наук в Белорусском ордена Трудового Красного Знамени политехническом института по адресу: 220027, г. Минск, Ленинский проспект, 65, Белорусский политехническим институт, корпус I, ауд. 202.

Автореферат разослан "SO" 03 I3iL£Lr.

Учеты секретарь специализированаого совета, кандидат технических наук, доцент

В.И.Клевзович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Совершенствование алмазного инструмента, улучшение его рабочих характеристик, создание новой техники неразрывно связаны с разработкой и внедрением новых высокоэффективных методов его Изготовления. Особое место в технологии порошковой металлургии занимают электрофизические методы, предусматривающие для нагрева, уплотнения или модифицирования структуры изделий электрического тока, магнитных полой, плазмн или их сочетаний. Использование электрофизических методов позволило значительно расширить круг применяемых материалов и покрытий (металлы, полупроводники, диэлектрики), получить изделия с ушкалышм комплексом физико-механических свойств.

В технологии изготовления порошкового алмазосодержащего инструмента использование электрофизических методов наиболее целесообразно, что связано с высокой чувствительностью алмазных -зерен к температурно-временным реяимам, а также несовершенством ряда традиционных технологий изготовления инструмента.

Настоящая работа посвящена разработке методов изготовления трубчатого алмазного инструмента с использованием электроконтактного нагрева и импульсного магнитного поля, исследованию особенностей, формирования структуры и физико-механнчес-ких свойств полученных материалов и созданию на этой основе высокоэффективных технологических процессов.

Работа проводилась в соответствии с республиканской научно-технической программой "Машиностроение-15".

Цель работы, разработка, исследование и внедрение в производство высокоэффективных методов изготовления трубчатого алмазного инструмента на основе применения импульсного магнитного поля и ЭлектроконтадтноГо нагрева с решением вопроса повышения износостойкости инструмента и экономии дорогостоящего алмазного сырья.

Научная новизна, Шиолшны комплексные теоретические и экспериментальные исследования закономерностей формирования алмазосодержащих (шт.ршиюн элзктрокоптасг-

ним, а такке магшшю-ишульониы методами, что позволило установить энергосиловыо, электрофизические и технологические Факторы, позволяющие регулировать и целенаправленно формировать структуру и свойства рабочей части инструмента.

Разработана математическая модель шарыирования алмазными ' зернами внутренней поверхности трубчатой заготовки за счет ее магнитно-импульсного обжили на твердосплавную оправку.

Найдена (функциональная связь шкду степенью шаркирования и параметрами электромагнитной обработки; теоретически и экспериментально доказана целесообразность применения метода магнитно-импульсной обработки для двухстороннего шаржирования заготовки, а такав ,"ля расплавления легкоплавкого компонента шихты; обоснована рациональная область эксплуатации сверл.

Выявлены теоретические закономерности' уплотнения порошковых алмазосодержащих материалов при электроконтактном спекании , изучено влияние оснсвшх активирующих факторов (давление, температура) на качество получаемых заготовок. Уставовлины особенности .нагрева п уплотнения напыленных покрытий, а также ишхтн, содержащей в своем составе выгорающие компоненты.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации но получению тоикостишшх алмазосодержащих сверл различного функционального назначения.

Предложены способы и оборудование для нанесения алмазосодержащих покрытий на торцевые поверхности трубчатых: заготовок.

разработана тохнология магнитно-импульсного шарашронания трубчатых заготовок, основанная на использований для обжима и нагрева легкоплавкой связки энергии импульсного магнитного ноля.

Результаты аналитических и экспериментальных исследовании легли в основу, создания технологического процесса изготовления длинномерных алмазосодержащих сверл с повышенными эксплуатационники харглтеристиками. Эсоиоыпчоскил эа*:.ект от инедре-ния технологии составил тыс. руолоа.

А п р о 6 а ц и я р и з у л ь г а т он р а 6 о т и. Осношию положения дисо^гицисшои работ и доклаф'ышюь на республиканской ьиучно-технпческои кои^кревцяи "Олоктрадози-ЧОСКпО ТехИОЛОПП! П ЙОрОИКОЫОК 1Л-тдлурЛ«:" (Г.)ыОЬ, ЛОВ г.).

на заседании "Координационного Совета ГКНГ СССР но проблеме "Магнитно-импульсная обработка металлов" (г.рига, П:8У г.), Ученом Совета ИШЩАШ ЛИ ЕООР- (г.Минск, lüö'J г.), Всесоюзном семинара "Электрофизические технологии в порошковой металлургии" (г.Москва, ШО г.).

Публикации. Но тема диссертации опубликовано 3 печатные работ. Получено 4 авторских свидетельства ССОР на изобретения.

Объем работы. Диссертация содор&ит 137 страниц машинописного текста, 22 таблицы, 19 рисунков, список литературы, включающий öl источник, и состоит из вне ценил, .пяти разделов, общих выводов и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В пор вом разделе - вводе ни и -обоснована актуальность работы и сформулировали основные положения, выносимые на защиту.

В о втором разделе проведен анализ основных методов изготовления трубчатого алмазосодержащего- инструмента и перспектив их дальнейшего развития. Обоснована целесообразность использования, особенно в условиях индивидуального и серийного производства, методов электроконтактного спекшшя (ЭКС) и магнитно-импульсной обработки (МИО).

Специфические особенности этих электрофизических методов обеспечивают им, по сравнению с другими, ряд технологических достоинств. Они обусловлены, прежде всего, радиальной схемой динамической деформации трубчатой заготовки, возможностью использования как силового, так и теплового действия электромагнитного поля (метод МИО), высоким локальным эноргопыделением (метод ЗКС), высокой производительностью, стабильность?) процесса вследствио точного дозирования энергии.

Теоретические положения,' [[шзичеокие основы и технологн-чоокио особенности t.i..-годов УКС и МИО в порошковом ютагщши! получили первое описание и толкование и работах Галчонке А.П., Миронова H.A., Дороякиш H.H., Счндотрока Д. и других диттелей.

Логическим'развитием методов ЭКС и МИО представляется технология изготовления тонкостенного алмазосодержащего трубчатого инструмента. Однако в литературе практически отсутствуют работы, посвященные применению.импульсного магнитного поля, а также электроконтактного нагрева для изготовления тонкостенного трубчатого инструмента, не установлены области их рационального использования;, отсутствуют рекомендации по проектированию соответствующего.оборудования и оснастки.

В соответствии с вышеизложенным, для достижения дели необходимо было выполнить следующий комплекс работ: исследовать общие закономерности получения спеченных алмазоиодьр«сащих материалов методом электроконтактного спекания при условии предварительного формирования шихты методом свободной засыпки, обмазки или напыления, разработать основные теоретические положения процесса элекгроконтактного спекания алмазосодержащих материалов, определить физико-механические свойства полученных материалов, изучить возможность перспективы развития магнитно-импульсной технологии изготовления тонкостенного трубчатого инструмента, дать технико-экономическое обоснование разработанных методов и внедрить их а промышленное производство.

В третьем раздела описаны общая и частная методики исследований.

Методически« решения поставленных задач осуществились в несколько этапов. На первом этапе осуществлялся выбор номенклатуры инструмента, изготовление которого целесообразно электрофизическими методами. При этом обращалось внимание па типоразмеры инструмента, области его применения, требования к рабочей части.

Второй этап исследовании заключался в лабораторном анализе технологических особенностей процессов получения трубчатых сверл электрофизическими методами, выборе онпноиьной технологической схемы. В случае использования метода электроконтактного спекания (рис;.1) предварительное формирование алмазосодержащей шихты производилось свободной насыпкой, га-зотермнческим напылением или обмазкой. При магнитно-шшульиноь* методе изготовления сверл (рис.2) основное внимание уделялось

Рис.1

Технологическая схема получения трубчатых свер/1 электроконтактным методом;

1-Установка электронйгрева)

2-Трубиатая заготовка)

3-0бойма1

4-Электрод)

5-Порошок I

6-Стержень

Рис. 2

Технологическая схема магнитно-импульсного шаржирование внутренней поверхности трубчатой заготовки;

1-Магнитно-импульсная установка)

2-Индуктор)

3-Трубчатая заготовка)

4-Алмазный порошок)

5-Оправка

ь

вопросам кинетики деформации тонкостенной трубчатой заготовки, оптимизации параметров млгнигно-импульсиого обжима, использования части энергии емкостного наполнителя установки для нагрэва легкоплавкой соотавлявще i шихты и качественного шаржирования поверхности заготовки абразивом.

Изучение физико-механических свойств получошшх алмазосодержащих материалов осуществлялось на третьем этапе, с учетом анализа количественных характеристик качества материалов: плотности, прочности сцепления с основой, характера распределения алмазных частиц в слое проводились эксплуатационные испытания инструмента. На основании полученных результатов оптимизировались технологические параметры разработанных процессов.

На заключительном этапе разрабатывались типовые технологические процессы получения трубчатого инструмента определенного функционального назначения.

Для экспериментальных исследований были использованы порошки ACI5 - АС50.

Электроконтактнов спекание образцов осуществлялось с использованием установки -30 и DS Р -60 (фирма Г). Fritsh , ФРГ).

. Магнитно-импульсную технологию реализовывали на установке ШУ-ЗО-ХПИ, характеризующуюся энергоемкостью 30 кДж и собственной частотой 48,5 кГц. Исследования кинетики деформации заготовки при обжиме проводили методом сверхскоростной киносъемки, о помощью регистратора СФР-50М (рис.3). Электрический параметры разряда контролировали шунтовым методом о помощью пояса Роговского и магнитометрических преобразователей. Электромагнитное давление оценивалось по измерению индукции в рабочей зоне индуктора.

Четвертый раздел посвящен изучению физико-технологических закономерностей изготовления трубчатых сверл магнитно-импульсным методом.

На основе совместного рассмотрения кинотики движения электропроводящей трубчатой заготовки в магнитном ноле и общих закономерностей внедрения твердого абразива в металлическое тело получены соотношения, связывающие энергосиловыа параметры магнитно-импульсной обработки (обжим) со степенью

Рис. 3, Схема экспериментальной установки;

{-блок питании импульсной лампы;

2-импульсная лампа;

3- индуктор; 4 - заготовка;

5-камера СФР2М;

6-пульт включения;

7-магнито-импульсная установка,

8-опранка

в

внедрения в нее алмазных зерен. Показано, что к.п.д. процесса обжима заготовки является функцией геометрических размеров индуктора и заготовки, физических постоянных их материалов, а также коэффициента к, связывающего параметры Р , Ц , С контура установки (рис.4).

Основными технологическими параметрами магнитно-импульсного обжима трубчатой заготовки являются напряженность и частота электромагнитного поля, определяющие скорость деформации заготовки и эффективность шаржирования ее внутренней поверхности абразивом.

Повышение частоты разрядных колебаний ведет к необходимости увеличения напряженности для достижения заданной степени шаржирования. Уменьшение частоты в диапазоне неполного поглощения поля металлом заготовки способствует возрастанию противодействующего со стороны оправки давления, что также снижает эффективность шаржирования и часто вызывает разрывы заготовок. Максимальная эффективность шаржирования достигается при частоте, на 10-15> превышающей рассчитанную на условия равенства толщины заготовки величине силы - слоя ее материалов.

Предложен ряд перспективных методов магнитно-импульсного шаржирования, заключающихся в плакировании внутренней поверхности заготовки легкоплавким металлом и магнитно-импульсной обработке проникающим полем с расплавлением легкоплавкого металла; выполнении на обеих говерхностях заготовки чередующихся пазов, помещении в них абразива и последовательной раздаче и обжиме заготовки (а.с. 1430191); использовании пластически деформируемого тонкостенного элемента, установленного между оправкой и слоем абразива (а.с, 145197) (рис.5).

В пятом разделе раскрыты особенности получения трубчатых сверл элекгроконтактным методом.

Изучено спекание алмазосодержащих элементов сверл, сформированных с использованием пластификаторов и полимерных связующих. Показана возможность применения эпоксидных композиций, что связано о их высокой проводимостью вследствие хороших ад-геэжлишх свойств. Определены гемшратурно-силовые условия электроконтактного спекания .-алмазосодержащих композиций с полимерными связующими, обеспечивающие наиболее высокое значение плотности заготовки при максимальном сохранении алмазных зерен.

9

К соб Ь соО

__ГТ"У"УУ~\_

к,

Рис. Схема аомещенмя контура

"установка - индуктор - заготовка"

Ш

3

а)

б)

в)

г)

Рис. 5, Технологическая схема изготовления трубчатого инструмента:

1--заготовка;

2 -алмагшый порошок;

3 -матрица;

4 -оправка

И

Электроконтшшшй нагрев шихт, имеющих в своем составе полимерные связующие, существенно отличается от нагрева чистых металлических пороижов. Первый импульс тока реализует эффект пробоя. Во всех случаях Пробой предшествует значительное возрастание сопротивления. Продолжительность пробоя различна для разных наполнителей и тем больше, чем ниже сопротивление до пробоя. При слабых полях наблюдается прямолинейный участок постоянного сопротивлений, затем сопротивление растет с ростом напряженности поля, после чего вновь наблюдаетоя пробой - сопротивление падает и становится ниже исходного. Сопротивление после второго пробоя неустойчиво, однако оно стабилизируется при уменьшения Напряженности шля. С ростом амплитуды импульсов наблюдается уменьшение сопротивления композита, что свя-зайо с уменьшением контактного сопротивления между частицами в результатах фреттинг-Пробоя поверхностных пленок.

Анализ кинетики уплотнения алмазосодержащих материалов показал, что при определенных условиях электроконтактного спекания твердые частицы алмаза, являющиеся эффективными барьерами для двикущихся в пластичной оонове дислокаций, создают , значительную неоднородность деформационного упрочнения Композиций, что не исключает возможность образования субмикроскопических трещин й местах нагромождения дислокаций у препятствий в процессе спекания.

Металлографический анализ образцов, Полученных электроконтактным методом из предварительно сформованных на клее ВК-20Т слоев, показал, что характер распределения алмазных зерен по толщине слоя зависит от типа металлических порошков. Так, например, при использовании в качестве связки железного порошка кристаллы алмаза располагаются, в основном, на поверхности слоя, при использовании железноникелевой композиции они формируются на Границе основы. Это связано с различием Пластических свойств шихт, обуславливающих концентрацию алмазов йа соответствующей Глубине слоя.

Исследования удельного электрического сопротивления напыленных алмазосодерасащих смесей показали, что процентное содержание наполнителя может достигать 12-15 об.$. Напыление и последующее припекшше порошковых смесей целесообразно при больших концентрациях наполнителя, что связано со стабильностью электроконтактного спекания слоя.

Разделение частиц наполнителя (алмаза) более мелкими частицами матрицы приводит к снмкешш удельного электросопротивления слоя. Однако уменьшение размеров частиц матрицы привадит к величине контактов манду- частицами на единице длины линии тока. Так как наполнитель неэлектропроводный, к напыленному порошковому слою можно применять предложенную Хауснером "структурно-электрическую схему порошкового тела". Согласно данной схеме, уменьшение размеров частиц матрицы лишь до определенного предела сникает удельное электрическое сопротивление напыленных покрытий, затем наступает обратный процесс его увеличения.

Доя повышения критической концентрации неэлектропроводного наполнителя (алмаза) в напыленном покрытии целесообразно плакировать частицы алмаза металлической оболочкой. Как показали эксперименты, этот метод позволяет, например, для порошков ACI5 I25/I0Q увеличить критическую концентрацию до 30-35 о6,%, а. для порошков АС6 50/40, 63/50 - до 25 об.%. В качества матрицы использовали химически осажденный никель.

В шестом разделе приведены результаты исследования работоспособности алмазных сверл при сверлении неметаллических твердых материалов. Цредставлено описание стенда, выполненного на базе станка 2В430.

Доя расчета долговечности сверл, изготовленных магнитно-импульсиым методом, использовали выражение

Т - Д/Уизн. '

где Д - допуск на диаметре высверленного отверстия; Уизн -скорость износа алмазного слоя.

jym определения Уизн проводились опыты цо истиранию алмазного слоя. Цри подаче'на оборот (2-6) мкы/об было получено следующее выражение, адекватно описывающее процесс износа

уизн. в 4,2 ~ 10_3 " Р0'9 z У2 '

где р - нагрузка (H); у - относительная скорость вращения (м/с).

Износ алмазных зерен определяли по уменьшению диаметра высверленных отверстий.

Анализ результатов исследований (табл.) доказал, что свер-

ла, изготовленные магнитно-импульсным методом, но сравнению с серийными, обладают более высокой долговечностью, особенно при малых подачах.

Таблица

Диаметр сверла, Подача, мкм/об

мм » | 4 | 8

5 79,2/58,7 72,0/52,3 49,2/35,7 41,о/34,3

8 85,5/62,3 78,4/60,1 55,4/38,9 48,3/39,2

10 86,3/63,5 79,5/62,0 58,2/39,3 49,8/39,8

В числителе - результаты испытаний экспериментальных сверл, в знаменателе - серийных.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

3. Анализ состояния вопроса показал существование научно-технической проблемы изготовления тонкостенного трубчатого инструмента с рабочей частью из спеченных алмазосодержащих материалов как самостоятельной и имеющей важное народнохозяйственное значение. Предложено использовать для ее решения метода электроконтактного спекания и магнитно-импульсной обработки,

2. разработана математическая модель магнитно-импульсного обкима заготовки при условии тарирования ее внутрашшй поверхности алмазными зернами. Доказана необходимость учета эффекта массы и температуры трубчатой заготовки для расчета параметров электромагнитного поля.

3. На основе разработанной методики регистрации кинематических параметров деформации заготовки установлена минимальная скорость формоизменения для получения качественного алмазного слоя, составляющая 45-47 м/с.

4. Разработаны способы изготовления трубчатых сверл магнитно-импульсным методом, основанные на использовании проникающего через заготовку электромагнитного поля, применения дополнительного пластически деформируемого металлического элемента (а.с. 1451Ь77), а также выполнения специальных пазов в

заготовка (а.с. I430191).

5. Показана возможность изготовления рабочей части сверл методом электроконтактного нагрева алмазосодержащей шихты с внгорщощим полимерным наполнителем, Установлено, что электроконтактный метод нагрева обеспечивает практически полное ис-нользование алмазного сырья ири получешш достаточно плотных алмазосодержащих композиций. В случае применения предварительно иапилешшх композиций предельное объемное содержание алмазного норозжа в исходной шихте должно составлять не более 10153!, а в случае использования плакированных алмазш« частиц -не более 35$.

6. При сверлении отверстий инструментом, изготовленным как магнитно-импульсным, так и электроконтактным методом обеспечивается нормативный уровень качества обработанной иона рхнооти.

7. Оштно-иримышланная проверка сверл, изготовленных мэг-нитно-импульсныи и элекгрокоитактним методами, показала увеличение производительности процесса сверления отверстий цри одновременно повышенной стойкости инструмента соответственно на 20 и 45$.

Газрэботаны практические рекомендации по изготовлению трубчатых сверл диаметром до 60 мм для обработки полупроводников и строительных материалов. Показаны основные направления внедрения методов в промышленности.

Основные результаты исследований опубликованы в работах:

1. A.c. I430191 СССР "Способ изготовления тонкостенных трубчатых сверл". А.А.Кот, Н.Н.Дорожкин, Ю.П.Бласов, Е.И.Ста-ровойтов (не публикуется).

2. Kol A.A., Верещагин 13.А., Власов Ю.Л. "Получение алмазосодержащего инструмента магнкгно-импульсными методами", .. Всесоюзная научно-техничоская конференция "Магнитно-импульсная обработка при изготовлении деталей и узлов из композиционных материалов". Тезисы докладов. - Куйбышев, 15У0 г., с.7-9.

3. A.c. 1451077 СССР "Способ получения алмазно-абразивного инструмента". O.A.Миронов, А.А.К'Ч, И.Н.Молочков, Ю.П.Власов (не публикуется).

4. 1!ласов К).П. "Применение электросиловых методов при из-

готовлэшш различных видов алмазного инструмента я композиционных материалов на основе алмаза", Прогрессивные режущие инструмента . Рига; Зинатне, IS89 г., с. 44-50.

6. A.c. 1386292 СССР "Устройство для шлифования круш".

B.Р.Кангун, Р.з.Цыпкий, Ю.П.Власов, Е.И.Старовойтов.

6. A.c. 1419006 СССР "Электрод для электроконтактного прнлекания порошковых покрытий", Н.Н.Дороккин, В.А.Полуян,

C.П.Власов, В.А.Верещагин, А.М.Дркович.

Соискатель Ю.П.Впасов