Full Text

Современные отечественные образцы авиационной и ракетно-космической техники содержат последние мировые разработки в области самолето- и двигателестроения, предусматривающие применение значительного объема полимерных композиционных материалов (ПКМ). Машиностроительные предприятия, производящие агрегаты и узлы из ПКМ, в механообрабатывающем производстве используют лезвийный и алмазный режущий инструмент. Доля применения алмазного инструмента из синтетических алмазов, часто называемых сверхтвердыми материалами (СТМ), в последние годы возрастает, причем не только для операций шлифования, но и для операций сверления и фрезерования. Причинами расширения использования алмазного инструмента являются, во-первых, его технологические возможности в повышении производительности обработки и улучшении показателей качества обработанных поверхностей ПКМ. Во-вторых, применение фасонных алмазных фрез и кругов открывает широкие возможности для фрезерования и шлифования сложных поверхностей изделий. На этапе конструкторско-технологической подготовки производства возможно спроектировать и изготовить алмазный фасонный инструмент практически любого профиля. В настоящее время ужесточаются требования как к показателям процессов сверления, фрезерования, шлифования, так и к характеристикам инструмента. Это связано с тем, что обрабатывающее оборудование становится всё более универсальным, скоростным и др. [1]. Следовательно, высокие требования предъявляются как к возможностям высокопроизводительной обработки, так и к точности положения режущего профиля и размерной стойкости [2, 3]. Одним из самых важных эксплуатационных показателей алмазного инструмента является его износостойкость и максимальная, при заданном качестве обработки, работоспособность [4]. Эти показатели в основном определяются характеристиками алмазно-абразивного материала [5]. Однако даже наиболее оптимальный выбор алмазно-абразивного материала не может обеспечивать высокие эксплуатационные показатели. При работе алмазного инструмента лишь часть алмазных зерен, находящихся в его структуре, активно участвует в процессе резания, изнашиваясь по площадке или микроскалываясь. Это объясняется, наряду с другими факторами, тем, что алмазные зерна, используемые при изготовлении алмазного инструмента, несмотря на одинаковую группу зернистости, имеют произвольную конфигурацию и, как следствие, разную геометрию (рис. 1). Рис. 1. Алмазные зерна зернистости 125/100 с выделенным описанным диаметром в масштабе Хаотичная форма и геометрия зерен, а также их неупорядоченная ориентация приводят к тому, что многие из зерен либо вообще не участвуют в резании, преждевременно выкрашиваясь и вылетая из связки, либо деформируют поверхность материала, не срезая его [6]. Режущие свойства отдельных зерен алмазного инструмента используются недостаточно эффективно. Классификация зерен по форме способствует повышению эффективности их использования и дает возможность математически интерпретировать протекание процесса резания алмазными зернами. Исходя из этого повышение эксплуатационных характеристик алмазного инструмента на основе использования зерен с контролируемой и упорядоченной формой является актуальной проблемой, решение которой может дать ощутимый практический результат. Согласно источнику [7], форму зерна предлагается оценивать количественным методом с помощью коэффициента формы Kф, который определяется как отношение площади описанной вокруг проекции зерна окружности So.o к площади проекции зерна Sп.з: Основное количество зерен находится в диапазоне Kф = = 1,34…2,19 и имеет так называемую промежуточную форму, остальные зерна имеют изометрическую (Kф = 1,0…1,34) и игольчатую [8] (Kф= 2,19…2,7) формы. Форма алмазных зерен: Проекция зерен изометрической формы Проекция зерен промежуточной формы Проекция зерен пластинчатой формы Такой широкий разброс форм зерен не может не сказаться на работоспособности каждой из них, так как разница в форме зерен предопределяет различие в способности срезать обрабатываемый материал. Проводились исследования для оценки взаимосвязи формы зерен с их износом, из которых следуют выводы, что чем меньше коэффициент формы зерен, тем они прочнее: прочность изометрических зерен (Kф ≈ 1,80) в 3,6…4,9 раз выше прочности пластинчатых зерен (Kф ≈ 3,13) [9, 10] . Отсюда следует, что использование алмазных зерен изометрической формы может привести к повышению стойкости инструмента. Согласно стандартам (ГОСТ 3647-80), зерна разделены по группам зернистости, но это не предполагает, что все зерна в одной группе одинаковые, так как на самом деле внутри каждой группы зернистости алмазного порошка зерна имеют различную форму. Выдвинем гипотезу, что повышение стойкости алмазного инструмента будет зависеть от геометрических параметров зерен алмазного порошка, из которого они изготовлены, а геометрические показатели зависят от масс единичных зерен. Для выявления показателей масс (внутри каждой группы зернистости) проведем анализ их наиболее распространенных форм. Рассмотрим алмазные зерна изометрической формы (шаровидные, кубические) и пластинчатой формы (каплевидные, эллипсоидные). Для примера анализ проведен для группы зернистости 125/100, так как данная фракция наиболее распространена среди алмазного инструмента. Зернистость 125/100, согласно ГОСТ 9206-80, предусматривает, что алмазное зерно проходит через квадратное отверстие в сите размером l = 125 мкм и задерживается в сите, сторона квадратного отверстия которого l = 100 мкм Сортировка для алмазных зерен по массе приведена с расчетами, при плотности алмаза (табл. 1). Таблица 1 Масса алмазных зерен фракции 125/100 № п/п l Формы алмазов и чертеж их расположения в ячейке сита Физические параметры Объем V, мм3 Масса m, г 1 125 Шаровидная форма 2 100 Продолжение табл. 1 № п/п l Формы алмазов и чертеж их расположения в ячейке сита Физические параметры Объем V, мм3 Масса m, г 3 125 Каплевидная форма 4 100 5 125 Каплевидная форма 6 100 7 125 Эллипсоидная форма 8 100 Окончание табл. 1 № п/п l Формы алмазов и чертеж их расположения в ячейке сита Физические параметры Объем V, мм3 Масса m, г 9 125 Эллипсоидная форма 10 100 11 125 Кубическая форма 12 100 13 125 Кубическая форма 14 100 Чем больше масса, тем инертнее зерно и тем труднее вывести его из состояния покоя или изменить его движение. Из табл. 1 следует, что алмазные зерна изометрической, а точнее кубической и шаровидной формы, будут инертнее удерживаться в связке инструмента, что может привести к повышению стойкости инструмента. Расставим различные формы алмазных зерен в порядке уменьшения массы (рис. 2). Рис. 2. Ранжирование форм единичных алмазных зерен по массе для фракции 125/100 Выдвинем вторую гипотезу, что повышение стойкости алмазного инструмента зависит от площади контакта зерна со связкой. Это объясняется следующим: чем больше площадь контакта, тем больше трение и сопротивление зерна в связке, появляется больше связей для сопротивления сдвигу. Отсюда следует, что зерна с наибольшей поверхностной площадью будут крепче удерживаться в связке и количество вырывов зерен уменьшится. Сортировка по поверхностной площади была произведена для группы зернистости 125/100, все расчеты сведены в табл. 2. Из данных расчетов (см. табл. 2) можно сделать выводы, что наибольшая поверхностная площадь будет у алмазных зерен кубической и шаровидной форм. Это означает, что инструмент с кубическими, шаровидными зернами в рабочем слое будет превосходить по стойкости инструмент с иной формой зерен. Проектируя алмазные зерна различных форм отдельных групп фракций в связке и подвергая их нагрузке, можно проверить выдвинутые гипотезы [11] и выявить формы единичных алмазных зерен, более подверженные перемещениям и вырывам из связки. Таблица 2 Поверхностная площадь алмазных зерен фракции 125/100 № п/п l Формы алмазов и чертеж их расположения в ячейке сита Поверхностная площадь зерна S, мм2 1 125 Шаровидная форма 2 100 3 125 Каплевидная форма 4 100 5 125 Каплевидная форма 6 100 Продолжение табл. 2 № п/п l Формы алмазов и чертеж их расположения в ячейке сита Поверхностная площадь зерна S, мм2 7 125 Эллипсоидная форма 8 100 9 125 Эллипсоидная форма 10 100 Окончание табл. 2 № п/п l Формы алмазов и чертеж их расположения в ячейке сита Поверхностная площадь зерна S, мм2 11 125 Кубическая форма 12 100 13 125 Кубическая форма 14 100 Для оценки перемещений алмазных зерен в связке сначала были созданы модели единичных алмазных зерен различных форм и модели фрагментов связок на основе никеля, в которые углублены эти зерна. Моделирование проводилось в среде NX Advanced Simulation, где вручную задавались физико-механические свойства алмазного зерна и никелевой связки. Для алмазного зерна удельная плотность модуль Юнга Па, твердость Для никеля удельная плотность модуль Юнга Па, модуль сдвига Па, твердость Затем в этой же программной среде было смоделировано действие результирующей силы = 10 кгс (рис. 3), значение которой взято из работы [12]. Рис. 3. Схема сил резания, действующих на единичное зерно шаровидной формы: - радиальная составляющая силы резания; - тангенциальная составляющая сила резания; - равнодействующая силы резания В моделях каждое алмазное зерно было углублено в связку под углом 45°, результирующая сил резания (одной величины) направлена как на связку (на сжатие), так и в обратную сторону - из связки (на отрыв). Результаты моделирования перемещений алмазных зерен различных форм, выполненного с помощью программного комплекса NX Advanced Simulation, при воздействии на них силы в различных направлениях представлены в табл. 3. Таблица 3 Перемещения единичных алмазных зерен в связке под действием силы Модель Сечение Эпюра перемещений Величина перемещений, мм 0,0439 Окончание табл. 3 Модель Сечение Эпюра перемещений Величина перемещений, мм 0,0607 0,0837 0,0384 0,0812 В ходе проведенного численного эксперимента были выявлены наименьшие перемещения в связке у зерен кубической и шаровидной форм, перемещение от равнодействующей силы = 10 кгс составили 0,0439 мм (шаровидная форма); 0,0384 (кубическая форма). Это значит, что использование в алмазном инструменте таких форм зерен существенно повысит износостойкость инструмента. Таким образом, и расчеты по массе, и расчеты по площади поверхности, и расчеты в NX Advanced Simulation подтвердили наибольшую устойчивость зерен шаровидной и кубических форм. Но известно, что лучшими режущими свойствами обладают зерна с острыми гранями [13, 14, 15], т.е. наиболее целесообразно применение зерен кубической формы. Открытым остается вопрос о способах сортировки алмазных зерен по форме внутри каждой группы зернистости при производстве алмазного инструмента, но это является темой отдельного исследования. На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы: 1. Найден резерв повышения работоспособности алмазного инструмента за счет управления выбором форм алмазных зерен. 2. На основе первой гипотезы, по принципу наибольших масс, наиболее эффективно использование в алмазном инструменте, с целью повышения износостойкости, алмазных зернен шаровидной и кубической форм. 3. На основе второй гипотезы, по принципу наибольшей поверхностной площади, наиболее эффективно использование в алмазном инструменте, с целью повышения износостойкости, алмазных зернен шаровидной и кубической форм. 4. Численное моделирование в программном комплексе NX Advanced Simulation показало наибольшую эффективность применения алмазных зерен кубической и шаровидной форм.

About the authors

A. S Dudarev

Perm National Research Polytechnic University

Email: ktn80@mail.ru

S. P Zakharova

Perm National Research Polytechnic University

Email: Svetuk3000@gmail.com

References

Statistics

Views

Abstract - 90

PDF (Russian) - 29

Refbacks

• There are currently no refbacks.