Введення
На сучасному етапі технології одним з найважливіших шляхів вирішення проблеми обробки деталей з важкооброблюваних металів і сплавів є шліфування струмопровідними алмазними й абразивними колами. Це забезпечує значне зростання продуктивності праці, зниження витрат і підвищення ефективності виробництва при досягненні високих експлуатаційних властивостей оброблених поверхонь.
Електрохімічне шліфування алмазними або абразивними колами на струмопровідних металевих зв'язках представляє собою комбінований процес, при якому матеріал знімається в результаті одночасно протікають процесів: анодного розчинення, механічного різання діамантовими або абразивними зернами і електроерозійних явищ. Крім того, в результаті впливу електролітів відбувається адсорбційну зниження міцності оброблюваного матеріалу внаслідок зменшення міжфазної поверхневої енергії. Завдяки відсутності суцільного контакту дискретних контактуючих поверхонь деталі та інструменту, а також виступанію зерен алмазу або абразиву з зв'язки, між ними утворюється зазор, заповнений електролітом. У зазорі під впливом електричного струму відбувається анодне розчинення поверхні деталі. Таким чином, поверхневий шар при електрохімічному шліфуванні утворюється в результаті протікання електрохімічного процесу і механічної роботи кола, виробленої зернами алмазу або абразиву, які видаляють продукти анодного розчинення і зрізають оброблюваний матеріал, а також виконують роль депассіваторов, руйнуючи і видаляючи плівку окислів металу, що утворюється на поверхні деталі.
Якщо електрохімічний з'їм значно переважає над механічним, процес за результатами воздействйя на оброблену поверхню близький до електрохімічної розмірної обробці в проточному електроліті. У цьому випадку процес можна вважати холодним, а оброблену поверхню вільної від дефектів механічної обробки. У разі переважання механічного знімання якість обробленої поверхні наближається до результатів алмазного шліфування.
Відомо кілька методів абразивно-алмазного шліфування з одночасним впливом електрохімічних процесів на оброблювану деталь і інструмент. При зміні полярності електродів (коло - анод, деталь - катод), тобто так званої обробки на зворотній полярності, відбувається розчинення металевої зв'язки кола. Процес характеризується інтенсивним самозагострювання, зниженням сили різання, температури, внаслідок чого продуктивність обробки зростає. Знос кіл в цьому випадку істотно збільшується. Для шліфування деталей з твердих сплавів застосовуються тільки алмазні кола, а з жароміцних сплавів, нержавіючих і конструкційних сталей-алмазні і рідше абразивні круги на металевих зв'язках. В якості джерел струму застосовуються ті ж випрямлячі, що і при електрохімічному шліфуванні. Напруга джерела струму 3-5 В.
Використання абразивних кіл на металевій зв'язці можливо при шліфуванні з безперервною електрохімічної правкою кола. У цьому випадку встановлюється додатково катод, який руйнує зв'язку. Перевагою цього методу шліфування є відсутність тертя зв'язки з оброблюваною поверхнею. Для цієї ж мети іноді використовують реверсивний джерело живлення, що дає зворотний півхвилю. Відомо використання електронейтральної абразивного інструменту, в якому електрохімічний та механічний процеси рознесені в просторі. Електрохімічний знімання з поверхні деталі здійснюється в цьому випадку додатковим колом. Всі різновиди методів обробки з використанням анодних процесів можуть досить ефективно використовуватися в промисловості.
Інструмент, електроліти та обладнання для електрохімічного шліфування
Працездатність інструменту характеризується його стійкістю, питомою зносом алмазів, питомої об'ємної продуктивністю, інтенсивністю знімання, вартістю знімання одиниці маси, або обсягу матеріалу і т. д. Всі ці показники в істотній мірі визначаються характеристиками інструменту - зв'язкою, міцністю і величиною зерна, концентрацією алмазів або абразивів в одиниці об'єму ріжучої частини кола.
При електрохімічному шліфуванні зв'язка кола повинна мати значну електропровідністю у поєднанні з високою катодного стійкістю при електролізі, що забезпечить високу зносостійкість інструменту. У той же час зв'язка повинна забезпечити викришування тупі зерен алмазів або абразивів. Найбільш часто вживаються алмазні кола на зв'язках МБ, М5-2, М5-4, М5-5, М5-6, МВ-1, ТМ2, М013Е та ін При електрохімічному шліфуванні, як правило, застосовують зерна з алмазів АСВ. Можна очікувати, що використання високоміцних алмазів марок АСК, АСС і САМ призведе до збільшення ріжучих властивостей алмазних кіл.
Розмір зерна визначає величину міжелектродного зазору і обсяг електроліту, що поступає в зону обробки. При виборі зернистості кола треба виходити з того, що швидкість електрохімічного розчинення зростає із зменшенням міжелектродного зазору, тобто зі зменшенням розміру зерен, але при цьому ускладнюється доступ електроліту в зону обробки і, крім того, зростає ймовірність виникнення локальних пробоїв міжелектродного проміжку. Зернистість кола значною мірою впливає і на шорсткість обробленої поверхні. Досить широко використовується діапазон зернистості 80/63-160/125. Концентрація зерен у колі визначає співвідношення між обсягом зерна і зв'язки, обумовлює електропровідність кола. Найбільше застосування знайшли кола з концентрацією 100%.
У процесі електрохімічного шліфування важливу роль відіграє електроліт. З одного боку, виступає електрохімічні функції, так як електроліт забезпечує протікання хімічних і електричних реакцій, з іншого боку, електроліт, як і звичайна змащувально-охолоджуюча рідина, використовується для охолодження оброблюваної деталі, полегшення різання, видалення продуктів розчинення і шламу з робочої зони. Різноманіття функцій, виконуваних електролітом, зумовило і безліч вимог до нього. Так, склад електроліту повинен виключити можливість утворення нерозчинних продуктів, які пасивовані б поверхню деталі. Необхідно враховувати і електродну реакцію на катоді, що веде до засолення інструменту.
Виходячи з того, що при електрохімічному шліфуванні використовуються значні щільності струму, щоб уникнути втрат енергії електроліти повинні володіти високою електропровідністю, хорошими змочуючими властивостями, що дозволяє їм краще утримуватися на поверхні і потрапляти в необхідних кількостях у міжелектродний зазор. Застосовувані електроліти не повинні надавати сильного корозійного впливу на обладнання і оброблювану деталь. Для зниження корозійного впливу в розчини електролітів додаються інгібітори корозії. Електроліт повинен бути нетоксичним, дешевим і простим у приготуванні. У загальному випадку до складу електролітів входять основа електроліту, комплексоутворювач, поверхнево-активні речовини та інгібітори корозії.
В якості основи електролітів, як правило, використовують неорганічні солі, водні розчини яких мають високу електропровідність і забезпечують протікання електрохімічних процесів. Комплексообразователи сприяють стабілізації процесу анодного розчинення, переводячи утворюються продукти реакції в розчинні сполуки. Введення комплексоутворювачів дозволило істотно спростити систему фільтрації електроліту. В якості комплексоутворювачів зазвичай використовують натрієві або калієві солі винною або лимонної кислот, фосфат натрію і т. д.
Поверхнево-активні речовини, як і при звичайному шліфуванні, адсорбуються на оброблюваній поверхні, проникають в найдрібніші мікроскопічні тріщини в матеріалі, розклинюють його і полегшують роботу алмазних або абразивних зерен але диспергуванню. В якості поверхнево-активних речовин, як правило, застосовують стандартні змочувачі: ОП-7, ОП-Ю, триетаноламін, олеїнову кислоту і т. д. В якості інгібіторів корозії застосовують нітрити натрію або калію, іодістий калій, сегнетову сіль, хрому-ти , біхромати, фосфати і т. д. За рекомендацією Експериментального науково-дослідного інституту металорізальних верстатів (ЕНІМС) в якості інгібіторів останнім часом знайшов застосування гліцерин.
Електрохімічне шліфування здійснюється на верстатах, що випускаються верстатобудівної промисловістю. Для плоского шліфування призначені верстати 33730, ЗЕ7Е1, ЗЕ754, для профільного шліфування-ЗЕ70В, для круглого шліфування - ЗЕ110, а для заточення ріжучого інструмента - ЗЕ667, 3672, 3626Е, 3653Е, 3623 і 3623Е. За відсутності спеціального обладнання для електрохімічного шліфування можуть бути модернізовані звичайні верстати. Модернізація в цьому випадку зводиться до наступного:
а) електрична ізоляція шпиндельної групи від станини;
б) забезпечення швидкості круга і подачі, особливо поздовжньої, відповідних режимів електрохімічного шліфування;
в) забезпечення підведення постійного струму до шпинделя і до деталі від джерела технологічного струму;
г) установлення системи подачі електроліту, що включає насоси, бак ємністю 50-100 л, а також пристрій для очищення електроліту;
д) встановлення огородження і захисних кожухів, що оберігають верстат і оператора від бризок електроліту;
е) встановлення системи відсмоктування парів електроліту і спеціального миючого агрегату.
При електрохімічному шліфуванні застосовуються, як правило, кола на металевих зв'язках, правка яких відомими методами не забезпечує прийнятних показників як за продуктивністю, так і за експлуатаційними властивостями. Вимоги до кіл після правки для електрохімічного шліфування в основному не відрізняються від вимог до звичайного алмазному інструменту (биття кола не повинно перевищувати 0,01-0,02 мм). При підвищеному битті кола можливі моменти короткочасного короткого замикання, що призводить до псування поверхні кола і деталі. Крім того, при підвищеному битті змінюється режим течії електроліту в зазорі, що, у свою чергу, негативно позначається на якості поверхні. Кола для електрохімічного шліфування виготовляються, як правило, на струмопровідних металевих зв'язках. Тому врівноваженість кіл має підвищене значення як з точки зору режиму роботи верстата, так і з точки зору якості поверхні.
Для вибору методу редагування алмазних кругів на металевих зв'язках були проведені спеціальні дослідження, в процесі яких були випробувані: правка абразивним колом з карбіду кремнію зеленого, електрохімічна правка комбінованим електродом-інструментом, електрохімічна правка абразивним інструментом і електрохімічна правка алмазним металевим олівцем. Слід зауважити, що електрохімічна правка комбінованим електродом-інструментом і електрохімічна правка алмазно-металевим олівцем відносяться до методів редагування струмі зворотної полярності. У ряді випадків для редагування кола і, особливо, очищення кола від засалювання використовується катодний метод за допомогою додаткового електрода або спеціальної деталі, яка встановлюється на верстаті. Робота відбувається також при зворотній полярності.
Оцінку зазначених методів редагування здійснювали по продуктивності з Q, відносного об'ємного зносу правлячого інструменту q, що визначається за співвідношенням величин обсягів зношеної частини, правлячої частини і знятого з кола шару. Крім того, за допомогою мікроскопа визначали кількість зерен на одиниці площі поверхні кола. Експлуатаційні властивості інструменту, підданого правці, визначали при електрохімічному шліфуванні твердого сплаву ВК15 на однакових режимах. Найбільша продуктивність і найменший знос алмазного круга після правки отримані при використанні алмазно-металевого олівця типу Н. Необхідно відзначити, що при порівняно невисокій продуктивності комбінованого електрода-інструмента отриманий найменший знос алмазного круга після правки. Таким чином, для виправлення геометричної форми профілю кола та усунення великих биття кола в якості правлячого інструменту слід рекомендувати алмазно-металевий олівець типу Н, для усунення «засалювання» кола - комбінований електрод-інструмент.
Заточення інструментів з твердих сплавів
Електрохімічне шліфування твердосплавного інструменту особливо ефективно при збільшенні розміру оброблюваних інструментів і за високого завантаження обладнання.
Узагальнення результатів експериментів дозволяє рекомендувати в залежності від виду інструменту і характеристики кола режими обробки і електроліти, що забезпечують високу якість обробленої поверхні при незначному зносі алмазних кіл (0,3 - 2 мг / г) (табл. 2).
Велике практичне значення при виготовленні твердосплавних штампів, прес-форм, різців та іншого інструменту має спільна обробка твердого сплаву зі сталлю. З метою встановлення оптимальних характеристик алмазного інструменту і вибору режимів обробки була проведена робота з електрохімічного шліфування пластин форми 0227 з твердого сплаву Т15К6 спільно зі сталлю 45 у співвідношенні 1:4.
Критерієм для оцінки і зіставлення ефективності обробки служили величина питомої зносу, середньоарифметичне ставлення профілю Ra, ефективна потужність і сила різання. Визначення цих параметрів здійснювали за відомими методиками при електрохімічному шліфуванні із заданою подачею.
Встановлено можливість досить продуктивною обробки твердого сплаву спільно зі сталлю при прийнятному питомій витраті алмазів, багато в чому визначає економічність методу. При цьому, як і при шліфуванні твердого сплаву або інших важкооброблюваних матеріалів, основні показники процесу істотно залежать від технологічних параметрів - характеристик кола і режимів обробки. Проведені дослідження показали, що питома витрата залежить від зв'язки кола і коливається в прийнятих умовах експериментів від 2 мг / г для зв'язки на мідній основі М5-16 до 4,6 мг / г для зв'язки на алюмінієвій зв'язці М5-7. Питома витрата алмазу при шліфуванні колами зернистістю 125/100 на зв'язках М5-5, ТМ2-5 і МВ-1 приблизно однаковий і становить близько 3 мг / м.
Зменшення зернистості призводить до помітного збільшення питомої витрати. Очевидно, в цьому випадку ускладнюється доступ електроліту в зону різання і зростає число зерен, що припадають на одиницю поверхні кола. Одночасно з цим збільшується безпосередній контакт зв'язки з деталлю, на колі утворюються кратери, що ослабляють зв'язку; зв'язку утримують алмазні зерна в матриці, порушуються, в результаті чого інтенсифікується знос кола. Крім того, зменшення активної площі кола, підвищуючи навантаження на зерно, у свою чергу, сприяє збільшенню зносу. Мінімальний знос алмазів відзначений при концентрації 100% - На якість обробленої поверхні зв'язка практично не впливає.
Шорсткість обробленої поверхні для кіл на досліджених зв'язках знаходиться в межах /? А = 1,25 - ^ -0,16 мкм (7-9-й клас) і в основному зависитот режимів шліфування. Ефективна потужність і сила різання при електрохімічному шліфуванні відносно невеликі і мінімальні при використанні зв'язки М5-5.
Результати експериментів показали, що найбільший вплив на вихідні показники процесу роблять (за умови правильного вибору характеристики інструменту) режими шліфування. У всіх випадках інтенсифікація режимів обробки викликає збільшення питомої витрати, складових сили різання і шорсткості обробленої поверхні. При цьому найбільший вплив на показники працездатності інструменту надає швидкість поздовжньої подачі. Це пояснюється тим, що саме швидкість поздовжньої подачі, визначаючи час контакту круга з елементарною поверхнею деталі, багато в чому визначає повноту протікання анодного розчинення. Її збільшення призводить до зменшення частки електрохімічного знімання, що, природно, погіршує працездатність інструменту і якість обробленої поверхні. Мінімальні значення питомої витрати алмазів і висоти мікронерівностей при інтенсивності знімання 1,5-1,8 г / хв, що забезпечує прийнятну економічну ефективність обробки, досягаються при швидкості кола 30-35 м / с, швидкості поздовжньої подачі не понад 0,6 м / хв , глибині шліфування 0,04-0,06 мм / хід і напрузі 10 - 12 В.
В Інституті надтвердих матеріалів АН УРСР вивчали вплив характеристик алмазних кругів на показники електрохімічного шліфування твердого сплаву зі сталлю при пружною схемою шліфування [4]. Обробляли зразки з твердого сплаву ВК8 зі сталлю 45 при співвідношенні 1:1. Площа обробки склала 210 мм2. Обробку проводили при швидкості 25 м / с колами на зв'язках М013Е, мс2, М04, МВ1 і М5-5. В якості електроліту використовували водний розчин солей азотнокислого калію, азотистокислий натрію, фосфорнокислого натрію, тризаміщені і вуглекислого натрію. У результаті цієї роботи, на основі досліджень впливу зв'язки кола, міцності алмазів, ширини алмазоносного шару, зернистості і концентрації алмазів на питому знос алмазів, продуктивність обробки, вартість оренди 1 см3 оброблюваного матеріалу, щільність струму і ефективну потужність, авторами робиться висновок про доцільність застосування при цій схемі шліфування кіл на зв'язках М013Е, М04, МВ1 і М5-5 з шириною робочого шару 20 мм і з алмазами марок АСВ або АСК.
Дослідження при точінні деталей з жароміцних сплавів показали, що стійкість різців з твердого сплаву, заточених способом електрохімічного шліфування, трохи нижче, ніж заточених колами з карбіду кремнію і доведених карбідом бору. Це пов'язано з виникненням шару зниженою твердості, для зняття якого рекомендується 2-3 проходу виробляти з виключенням електричного струму.
Відсутність пріжогов і мікротріщин, низька шорсткість і мінімальні радіуси заокруглення ріжучої кромки обумовлюють високі експлуатаційні властивості твердосплавного інструменту, заточеного електрохімічним шліфуванням.
Обробка деталей з магнітотвердих матеріалів
Електрохімічне шліфування є досить ефективним методом обробки деталей з магнітотвердих матеріалів. Зерна алмазів або абразивів, врізаючись в поверхню зі зниженими в результаті електрохімічного розчинення фізико-механічними властивостями, в основному виконують не деформуючу функцію, а механічно видаляють продукти електрохімічної реакції. Природно, що і стійкість інструменту в цьому випадку істотно вище і якість обробки краще.
Дослідження ріжучих властивостей кіл з різних абразивних матеріалів показало, що при електрохімічному шліфуванні кола з карбіду кремнію зеленого володіють більшою працездатністю, ніж кола з електрокорунду білого і забезпечують шорсткість Ra = 0,164-0,08 мкм.
Електрохімічне шліфування деталей з магнітотвердих матеріалів характеризується дуже малими значеннями швидкості поздовжньої подачі - не вище 0,5 м / хв - і значними - до 2 мм - глибинами шліфування. У цих умовах на показники процесу істотно впливає напруга джерела струму. Так, підвищення напруги з 5 до 30 В приводить до істотного зниження силових показників процес са внаслідок збільшення електрохімічної складової знімання. Оптимальним робочою напругою джерела струму при шліфуванні абразивними колами на металевих зв'язках СЕШ-2 і М5-5 слід вважати 10 - 16 В. Підвищення напруги понад оптимального призводить до виникнення в зоні обробки електроконтактного і електроерозійного процесів і внаслідок цього підвищення шорсткості обробленої поверхні. При зниженій напрузі електрохімічне шліфування стає процесом абразивного шліфування колами, що володіють низькими ріжучими властивостями.
Недостатня продуктивність процесу, швидка втрата ріжучих властивостей, яка призводить до частих правкам високоміцних абразивних кругів на металевих зв'язках, великий шлюб, викликаний роботою істотно притуплених зерен карбіду кремнію зеленого і т. п., зумовили спроби вітчизняних і зарубіжних дослідників застосувати для електрохімічного шліфування кола з синтетичних надтвердих матеріалів, зокрема, з синтетичних алмазів. Електрохімічне шліфування алмазними колами забезпечує в 1,5-2 рази більшу продуктивність у порівнянні з абразивними колами. При цьому, на відміну від шліфування абразивними колами на металевій зв'язці, встановлено несуттєве вплив властивостей оброблюваного, матеріалу і термічної обробки на показники процесу і на продуктивність.
Алмазні кола відрізняються більшою стійкістю, значно довше зберігають високі ріжучі властивості і забезпечують більш високу, у порівнянні з колами з карбіду кремнію, якість обробки. Найкращі результати забезпечують кола зернистістю 100/80-125/100 з алмазами марки АСВ.
Інтенсифікація продуктивності шліфування досягається шляхом збільшення швидкості поздовжньої подачі. Напруга джерела струму, що б в цих умовах роль електрохімічного розчинення, істотно впливає на показники шліфування. Однак область оптимальних значень робочих напруг при шліфуванні алмазними колами в порівнянні з абразивними на металевій зв'язці значно нижче і складає всього 6-12 В.
Дослідження якості поверхневого шару після електрохімічного шліфування алмазними колами показало, що поверхневий шар характеризується зниженою мікротвердістю і відсутністю макронапружень. Електронно-мікроскопічні дослідження показали відсутність структурних змін. Встановлено також, що електрохімічне шліфування практично не впливає на магнітні властивості деталей (залишкову індукцію і коерцитивної силу).
Певний інтерес представляють спроби інтенсифікувати процес електрохімічного шліфування деталей з важкооброблюваних матеріалів, в тому числі і магнітотвердих сплавів, методом накладення на шліфувальний круг осцилюючих рухів, вібрацій, ультразвукових коливань і т. п. Необхідно відзначити, що на ці питання в даний час не існує єдності поглядів. У деяких роботах вплив перерахованих процесів на показники процесу не встановлено. В інших же, навпаки, встановлено, що, наприклад, ультразвукові коливання з амплітудою 15 - 25 мкм інтенсифікують як анодний процес, так і процес різання, у результаті чого істотно підвищується продуктивність. Очевидно, проведення науково-дослідних робіт у єдиних методичних умовах дозволить однозначно вирішити деякі спірні питання.
Результати науково-дослідних робіт дають підставу вважати, що електрохімічне шліфування магнітотвердих сплавів, особливо, алмазними колами є високоефективним технологічним процесом, що забезпечує істотне підвищення продуктивності, причому, якість поверхневого шару та експлуатаційні характеристики деталей дозволяють використовувати електрохімічне шліфування як чорновий, так і як остаточний метод обробки.
Обробка деталей з жароміцних сплавів
Одним з перспективних технологічних методів обробки деталей з важкооброблюваних матеріалів, зокрема, жароміцних ливарних і деформівних сплавів є алмазне електрохімічне шліфування. Однак недостатня вивченість електрохімічного шліфування алмазними колами взагалі, ливарних жароміцних сплавів типу ВЖЛ і деформівних сплавів типу ЕІ826, зокрема, зажадала постановки спеціального дослідження, в процесі якого визначали вплив зв'язки, як одного з основних факторів, на продуктивність процесу, питома витрата алмазів, шорсткість обробленої поверхні, складові сили різання і ефективну потужність. Крім того, визначали зміну різальних властивостей кругів на різних зв'язках у часі. Дослідження проводили при обробці колами форми АЧК. Методика та умови проведення експериментів наведені в роботах [1, 2].
Як показує аналіз експериментальних даних, фактична продуктивність електрохімічного алмазного шліфування деталей із сплаву ВЖЛ досить висока, коливається в дуже широкому діапазоні (400-740 мм3/мін) і істотно залежить від зв'язки кола. Так, застосування кіл на зв'язці МВ-1 забезпечує мінімальну продуктивність, кола на зв'язках М5-4 М5-6 і М5-8 дозволяють проводити обробку при інтенсивності знімання 600-640 мм3/мін, а використання кіл на зв'язках М5-2 і М5- 9 призводить до підвищення продуктивності процесу до 740 мм3/мін.
На продуктивність процесу істотно впливає напруга джерела струму, що характеризує електричні режими обробки. Так, якщо при напрузі 18 В використання кола на зв'язці МВ-1 забезпечує знімання 400 мм3/мін, то при напрузі 8 У продуктивність досягає тільки 240 мм3/мін. Шліфування колами інших досліджених зв'язок при меншій напрузі також викликає зменшення продуктивності обробки, хоча і менш інтенсивне.
Переваги зв'язки М5-2 за фактичної продуктивності відзначені при обробці та інших сплавів. Хоча, зіставлення по продуктивності і показало деякі переваги кіл на зв'язці М5-2, здійснити вибір зв'язки кола тільки за цим критерієм без урахування стійкості інструменту, шорсткості поверхні та інших даних не виявилося можливим. Так, встановлено, що зв'язка кола робить істотний вплив на величину мікронерівностей при електрохімічному шліфуванні алмазними колами як ливарних, так й деформівних жароміцних сПлавбВ. При обробці колами на зв'язці М5-6 величина Ra = \, 5 - Jr 2 мкм. Застосування кіл на зв'язках М5-2, М5-4 і М5-9 не показує суттєвої різниці і забезпечує Ra = 0,63-Ь0, 32 мкм.
Зв'язка кола робить істотний вплив на питома витрата алмазів. У прийнятих умовах обробки сплаву ВЖЛ мінімальні значення питомої витрати показали кола на зв'язці М5-2-4, 4 мг / г, максимальні-кола на зв'язці М5-4 - 27,4 мг / м. Кола на зв'язках М5-6, М5-8 і М5-9 характеризуються підвищеними значеннями витрати алмазів (10-16 мг / г).
При зміні умов обробки змінюються і абсолютні значення питомої зносу, проте якісно картина залишається незмінною. Зміна питомої витрати, викликаного зміною швидкості кола і напруги джерела струму, свідчить про суттєвий вплив цих складових режимів обробки на зносостійкість інструменту.
При шліфуванні деталей із сплаву ЕІ826 питома витрата істотно нижче, ніж при шліфуванні цими ж колами деталей із сплаву ВЖЛ. І в цьому випадку найменша питома витрата алмазів був у кіл на зв'язці М5-2. Так, якщо у кіл на зв'язці М5-2 питома витрата склала 3 мг / г, то у кіл на зв'язці М5-6-8 мг / г, у кіл на зв'язці М5-8-10 мг / г, у кіл на зв'язці М5 -9 - 15 мг / м. Аналогічна і при обробці деталей з деформованого сплаву картина відзначена, незалежно від режимів шліфування, ЕП220, хоча абсолютний питома витрата значно вище і досягає значень, зазначених при обробці деталей із сплаву ВЖЛ.
Складові сили різання і ефективна потужність шліфування дають важливу інформацію про якісну сторону процесу, дозволяють оцінити відповідні характеристики інструменту, а динаміка їх зміни в часі дозволяє досить впевнено визначати його ріжучі властивості. Аналіз залежності, що представлена на рис. 1, показує, що при електрохімічному шліфуванні алмазними колами деталей із сплаву ВЖЛ складові сили різання незначні-нормальна складова не перевищує 6,5 кгс. Тоді як за даними В. А. Шальнова при звичайному шліфуванні деталей із сплаву ЖС6, оброблюваність якого значно краще оброблюваності сплаву ВЖЛ, у разі застосування досить м'яких (твердістю С1-МЗ) кіл з електрокорунду білого зернистістю 40 при глибині шліфування 0,02 - мм / хід нормальна складова досягла 32 кгс.
Початковий період шліфування колами на зв'язці М5-2 (суцільні лінії на мал. 1, а) характеризується максимальними значеннями складових сили різання і ефективною потужністю. Однак у міру збільшення тривалості обробки інтенсивність зростання складових сили різання і ефективної потужності для кіл на зв'язці М5-2 істотно нижче, ніж для кругів на інших досліджених зв'язках (М5-4 - штрихові лінії на рис. 1, а; М5-6 - штрихпунктирними лінії на рис. 1, а \ М5-5 - суцільні лінії на мал. 1,6; ТМ2-5 - штрихові лінії на рис. 1,6). Результати досліджень показали, що в умовах незначного анодного розчинення складова сили Рх стабілізується до 150-300 ходу в залежності від виду зв'язки (рис. \, в). Це має місце і при шліфуванні сплавів ЕІ 826 (штрихові лінії) і ЕП 220 (суцільні лінії).
У залежності від тривалості шліфування складові сили різання зростають у широкому діапазоні значень при більш інтенсивного збільшення складової Ру, що свідчить про інтенсивний затуплении алмазних зерен. Це не відповідає досить поширеній думці про переважаючою ролі електрохімічного процесу в загальному зніманні металу. Істотна зміна обох складових сили різання свідчить про нестабільність процесу в часі. При електрохімічному шліфуванні деталей з жароміцних сплавів різних марок в міру збільшення тривалості шліфування ріжучі властивості алмазних кіл падають і коло затуплюється.
При збільшенні напруги до 18 В інтенсивність зростання складових дещо менше. Це явище можна пояснити збільшенням ролі електричних процесів у загальному процесі зняття припуску. Проте зі збільшенням напруги інтенсифікуються електроерозійні процеси в зоні контакту, збільшується питома знос алмазів і зростає шорсткість обробленої поверхні.
Необхідно відзначити, що зміна ефективної потужності адекватно зміни нормальної складової, а не тангенціальною. З цього випливає, що має досить широке поширення спосіб розрахунку потужності процесу з тангенціальною складової неправомірне.
В результаті комплексної оцінки працездатності кіл на різних зв'язках було встановлено явну перевагу кіл на зв'язці М5-2, які за умови стабільного забезпечення шорсткості поверхні в межах Ra = 0,63-1-0,32 (8-й клас) забезпечують максимальну продуктивність при мінімальному питомій витраті.
Після вибору зв'язки кола для побудови рівняння зв'язку між технологічними параметрами та показниками процесу шліфування були проведені спеціальні експерименти із застосуванням математичних методів планування. Застосування методів багатофакторного планування для дослідження процесів електрохімічного шліфування алмазними колами дозволило висувати різні гіпотези про характер і ступінь впливу технологічних факторів досліджуваного процесу на його кінцеві показники, здійснити об'єктивну перевірку цих гіпотез, за результатами даної вибірки з певним ступенем достовірності оцінити параметри функції розподілу з урахуванням невизначеності , що вноситься обмеженим числом експериментів.
Експерименти. проводили при шліфуванні колами форми АПП і АЧК. Методика і порядок проведення цих експериментів, а також результати перевірки статичної однозначності показників електрохімічного шліфування жароміцних сплавів наведено в роботі [3]. При використанні кіл АПП реалізовували схему дробового факторного експерименту на двох рівнях з числом дослідів 25-1. Шліфування колами форми АЧК проводили за схемою 24 ~ J. Вибір рівнів здійснювали з урахуванням можливостей устаткування, чутливості реєструючої апаратури і ріжучої здатності алмазного інструмента. Обробку результатів експериментів, визначення коефіцієнтів регресії, розрахунок дисперсій адекватності відтворюваності, критеріїв Фішера і визначення довірчих інтервалів виробляли за допомогою ЕОМ.
Аналіз наведених залежностей для питомої витрати показав, що на досліджуваний фактор істотно впливають механічні режими шліфування, причому найбільший вплив на зносостійкість надає глибина шліфування. Мабуть, це пояснюється тим, що, з одного боку, зі збільшенням глибини шліфування збільшується перетин стружки, що знімається одиничним зерном, і зростає навантаження на зерно, в результаті чого інтенсифікуються всі види зносу алмазів, а з іншого боку, при збільшенні глибини шліфування падає роль анодного розчинення в загальному зніманні матеріалу, що також інтенсифікує знос алмазів.
Як показує аналіз наведених залежностей, для всіх кіл збільшення швидкості поздовжньої і поперечної подач викликає зростання зносу алмазів. Однак необхідно зазначити відмінність в абсолютних значеннях питомої витрати для кіл різних характеристик. Мінімальні значення зносу відмічені у кіл зернистістю 125/100 з концентрацією 100%. Зменшення зернистості призводить до зростання величини зносу. Таку ж дію надає зростання концентрації. Мабуть, це може бути пояснено таким чином. Зменшення зернистості при даній глибині шліфування викликає зростання кількості зерен, що припадають на одиницю поверхні катода, і підвищує навантаження на зерно.
Швидкість кола, хоча і в меншій мірі, ніж інші складові механічних режимів, також впливає на питому витрату алмазів. Як видно з наведених формул, збільшення швидкості викликає деяке зниження зносу алмазів. Ця обставина пояснюється суперпозицією дії двох полярно спрямованих факторів. Збільшення швидкості шліфування призводить до зменшення перерізу стружки, що знімається кожним зерном, що знижує навантаження на кожне зерно. При цьому очевидно, що всі види зносу алмазного або абразивного інструменту - виривання зерна з руйнуванням містків зв'язки, об'ємне руйнування зерна з кількох поверхнях, мікроруйнування ріжучих крайок зерен, стирання зерна з утворенням майданчиків зносу, адгезійний знос - будуть протікати менш інтенсивно.
Внаслідок ж збільшення аерогідродинамічного ефекту ускладнюється доступ електроліту в зону обробки і збільшується частка механічного знімання металу, що викликає відповідне збільшення зносу алмазів. Так як превалює дію першого чинника, то сумарний ефект показує певне зниження питомої витрати при зростанні швидкості кола. Мабуть, цей процес особливо характерний для алмазних кіл великої зернистості. Чим менше зернистість, тим нижче інтенсивність зниження навантаження на зерно і тим менше повинно бути вплив швидкості кола на зносостійкість. Так, при зміні зернистості від 125/100 до 80/63 вплив швидкості кола на знос алмазів зменшилася приблизно вдвічі.
Великий інтерес представляє вплив на знос алмазів напруги джерела струму, що характеризує електричні режими обробки. Аналіз експериментальних даних показує, що вплив напруги на знос алмазів незначно. Це свідчить, очевидно, про малу частці анодного розчинення в загальному обсязі знімання металу. Незалежно від характеристики кола домінуючий вплив на стійкість інструменту надають механічні режими шліфування.
Незначна роль анодного розчинення в загальному обсязі матеріалу видно при аналізі формули для визначення продуктивності процесу. Встановлено, що, як і при звичайному шліфуванні, продуктивність процесу визначається твором подач. Вплив швидкості кола і напруги джерела струму незначні, що підтверджує малу роль анодного розчинення в загальному зніманні металу за даних умов шліфування.
Вельми цікава отримана модель для шорсткості поверхні при електрохімічному шліфуванні. Аналіз залежностей для всіх досліджених кіл показує, що величини мікронерівностей оброблених поверхонь в основному визначаються напругою джерела струму, швидкістю поздовжньої подачі та глибиною шліфування. При цьому необхідно відзначити, що збільшення швидкості поздовжньої подачі призводить до істотного зниження величини мікронерівностей. Ця обставина суперечить відомим залежностям для абразивного шліфування. Дійсно, з геометричної теорії шліфування відомо, що збільшення швидкості поздовжньої подачі викликає збільшення стружки, що знімається одиничним зерном, внаслідок чого зростає шорсткість обробленої поверхні. Численні експерименти, проведені при обробці найрізноманітніших за своїми властивостями матеріалів, підтверджують це положення. З іншого боку, відомо, що при електрохімічному процесі, чим нижче швидкість переміщення деталі, тим менше величини мікронерівностей, що також переконливо підтверджується експериментально. Однак це справедливо для матеріалів з відносно дрібною зернистістю, що забезпечує рівномірність структури, в результаті чого на різних мікроділянки поверхні швидкість анодного розчинення однакова і при збільшенні часу впливу на елементарну поверхню шорсткість її не змінюється.
Жароміцні сплави відрізняються досить великими розмірами зерен, що обумовлює нерівномірність анодного розчинення на різних ділянках поверхні. У цих випадках слід було очікувати, що при відносно малому часі впливу на елементарний ділянку поверхні кордону між зернами будуть розчинятися більш інтенсивно, ніж самі зерна, і величина мікронерівностей буде визначатися часом анодного розчинення. Так как.прі збільшенні швидкості поздовжньої подачі зменшується час контакту круга з деталлю, то й растравліваніе поверхні відбувається на меншу глибину.
Щодо велика роль в утворенні рельєфу обробленої поверхні поперечної подачі пояснюється тим, що частина висоти кола, що проходить по вже обробленої поверхні деталі, різання не робить, але створює електричний ланцюг і викликає растравліваніе поверхні, обробленої при попередньому проході, викликаючи цим самим збільшення шорсткості.
Істотний вплив, який чиниться напругою джерела струму на шорсткість поверхні, пояснюється, мабуть, тим, що зі зростанням напруги різко збільшується виборче міжкристалітної растравліваніе, що призводить до дуже помітного збільшення шорсткості поверхні. Крім того, зі збільшенням напруги, очевидно, зростає растравліваніе в порах литого сплаву, має місце часткове змикання пір, що також збільшує шорсткість поверхні. Разом з тим збільшення напруги джерела струму призводить до збільшення числа короткочасних локальних пробоїв, що викликає на обробленій поверхні сліди електричної ерозії, які збільшують шорсткість обробленої поверхні.
Сукупна дія всіх цих факторів і пояснює переважну роль напруги джерела струму в освіті рельєфу обробленої поверхні. За результатами експериментів очевидно, що шорсткість поверхні в залежності від режимів, в першу чергу від напруги джерела струму, коливається в досить широких межах - від Rz = 20 до Ra = 0,16 мкм (5-9 клас). Аналіз отриманої моделі для нормальної складової сили різання показав, що зі зростанням механічних режимів обробки і зі зменшенням напруги холостого ходу джерела струму в дослідженому діапазоні режимів сила різання зростає. Збільшення швидкості поздовжньої подачі, з одного боку, зменшує частку анодного розчинення в загальному зніманні металу, що повинно викликати зростання сили різання. З іншого боку, збільшення швидкості поздовжньої подачі призводить до збільшення загального обсягу стружки, що знімається в одиницю часу, що також викликає збільшення сили різання.
Справедливість цього припущення підтверджується зіставленням рівнянь для складових сили різання при обробці колами концентрацією 100 і 200%. Збільшення концентрації алмазів у колі призводить до збільшення кількості зерен, взаємодіючих, з оброблюваною поверхнею, що викликає зростання сили різання. Зміна концентрації алмазів впливає на внесок інших факторів у формуванні сили різання. Так, при концентрації 100% внесок поперечної подачі у формування нормальної складової приблизно такий же, як і внесок швидкості поздовжньої подачі - різниця в ступені впливу не перевищує 20%, а при концентрації 200%, тобто при збільшенні кількості зерен алмазів на елементарному ділянці поверхні кола вдвічі, ступінь впливу поперечної подачі у формуванні сили різання також зростає вдвічі.
Ступінь впливу різних режимних факторів на показники процесу, а також власне значення цих показників багато в чому визначаються числом алмазних зерен на поверхні кола.
Звертає на себе увагу та обставина, що збільшення швидкості кола викликає ріст нормальної складової, хоча при звичайному шліфуванні має місце зворотна залежність. У зв'язку з цим нами були проведені порівняльні дослідження за методикою однофакторного експерименту при шліфуванні колами на різних зв'язках і різних зернистостей, які підтвердили отримані в багатофакторному експерименті результати. Очевидно, це відбувається внаслідок погіршення аерогідродинамічного режиму зазору шляхом відцентрового розкидання рідини з поверхні кола, з одного боку, і зростання температури оброблюваної поверхні і випаровування частини рідини в зазорі під впливом цього тепла, з іншого боку.
У результаті проведених експериментів встановлено, що при електрохімічному шліфуванні складові сили різання в залежності від режимів обробки змінюються в досить широкому діапазоні. На значення складових сили різання істотний вплив роблять напруги джерела струму. Збільшення напруги інтенсифікує процес анодного розчинення, що, природно, призводить до зниження сили різання.
Певний інтерес представляє вивчення зміни ступеню впливу різних факторів на силу різання в часі. Відомо, що збільшення тривалості шліфування викликає загальне збільшення складових сили різання. При цьому, якщо ступінь впливу швидкості поздовжньої подачі та глибини шліфування для кіл різних характеристик змінюються по-різному, то внесок інших факторів у формування сили різання істотно зростає. Необхідно відзначити, що в умовах роботи притупленими алмазними зернами різко зростає вплив швидкості обертання кола і, особливо, напруги. В умовах інтенсивного затуплення алмазних зерен і падіння їх різальних властивостей зростає роль анодного розчинення в зніманні матеріалу, і зміна напруги джерела струму буде вирішальним чином впливати на силу різання. Втрату ріжучих властивостей кола доцільно компенсувати інтенсифікацією, в першу чергу напруги джерела струму, так як зменшення, наприклад, подачі призведе до зниження продуктивності. Збільшення напруги понад 18 В небажано, так як це викликає інтенсивне іскріння в робочій зоні, погіршує якість обробленої поверхні і призводить до підвищеного зносу кола. Оскільки шліфування торцем круга характеризується досить високою продуктивністю, а також з метою розширення технологічних можливостей методу шліфування, велику увагу було приділено дослідженню процесу електрохімічного шліфування колами чашечной форми.
При шліфуванні торцем круга на зносостійкість інструменту найбільший вплив надає швидкість поздовжньої подачі, напруга джерела струму і глибина шліфування. Швидкість кола впливає на знос алмазів неістотно. Питома витрата алмазів відносно невеликий і коливається в межах 3-5 мг / м. Продуктивність обробки, як і при шліфуванні периферією круга, визначається в основному швидкістю поздовжньої подачі глибиною шліфування.
Шорсткість обробленої поверхні визначається напругою джерела струму, глибиною шліфування і швидкістю кола. Поздовжня подача на висоту мікронерівностей впливу не робить. "Така істотна роль напруги джерела струму у формуванні рельєфу поверхні при шліфуванні торцем кола пояснюється значним часом контакту круга з елементом оброблюваної поверхні, що призводить до інтенсивного межкристаллитному растравліванію. Якщо при обробці колом форми ГШ час контакту коливається в межах 0,001-0,0001 с, то при шліфуванні торцем кола воно становить лише 0,01-0,1 с.
Збільшення глибини шліфування призводить до зростання стружки, срезаемой одним зерном, і до збільшення числа короткочасних локальних пробоїв. Дія обох факторів направлено на збільшення шорсткості поверхні. Механізм впливу поздовжньої подачі на рельєф потребує подальшого дослідження. На складові сили різання істотно впливає перетин знімається одиничним зерном стружки та інтенсивного анодного розчинення поверхневого шару.
На підставі проведених експериментів виявилося можливим побудова площин рівних рівнів для різних показників процесу і різних інструментів. За результатами досліджень розроблено області одночасного існування конкретних значень шорсткості поверхні, питомої зносу і фактичної продуктивності для досліджених кіл, які можуть бути використані для призначення режимів обробки (рис. 3). Порівняльна оцінка моделей процесу електрохімічного шліфування деталей з жароміцних сплавів периферією та торцем круга свідчить про їх якісному подобі при різного ступеня впливу окремих факторів на вихідні параметри процесу.
Електрохімічне шліфування, як і абразивне шліфування, здатне викликати значні зміни властивостей поверхневого шару деталей. Виникаючі в процесі обробки сили можуть викликати зміни мікротвердості поверхневого шару, поява залишкових напружень, мікротріщин та інших дефектів. Виходячи з цих міркувань, були проведені дослідження впливу технологічних параметрів на показники якості поверхневого шару оброблених поверхонь. Оцінка якості обробленої поверхні проводилася за ступенем і глибині наклепу, знаку, величині і глибині залягання залишкових напружень. Дослідження наклепу по глибині поверхні виробляли в міру стравлювання верств виміром мікротвердості на приладі МПТ-3 при навантаженні 50 гс. Залишкові напруги в поверхневому шарі визначали за методом Давиденкова на плоских зразках розміром 4X14X130 мм з нетравящімі кінцями. Розрахунок залишкових напружень виробляли за формулою
Залишкові напруги розраховували за допомогою ЕОМ. У прийнятих умовах електрохімічного шліфування встановлена закономірність зміни ступеня і глибини наклепу від глибини шліфування, поздовжньої і поперечної подач, напруги джерела струму.
Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що при електрохімічному шліфуванні, незважаючи на невисокі сили різання, поверхневий шар суттєво зміцнюється. Ступінь наклепу і глибина його залягання залежать від режимів обробки, особливо від напруги джерела струму. Наприклад, збільшення поперечної подачі з 3 до 8 мм / хід призводить до збільшення ступеня наклепу поверхневого шару з 410 до 510 кгс/мм2; глибина залягання наклепаного шару збільшується з 30 до 45 мкм. У той же час із збільшенням напруги джерела струму в межах досліджених значень (4-17 В) ступінь наклепу знижується приблизно в 1,5 рази, а глибина залягання наклепаного шару зменшується c. 60 до 30 мкм. Величина, знак і характер розподілу залишкових напружень у поверхневому шарі також істотно залежать від режимів обробки.
Встановлено, що при електрохімічному шліфуванні деталей з жароміцних сплавів мають місце залишкові напруження стиску, величина яких коливається в досить широких межах залежно від режимів обробки й у ряді випадків досягає 60 кгс/мм2. Глибина деформованого шару перевищує 150 мкм.
Великий практичний інтерес представляє експериментально встановлений факт незначного впливу на залишкові напруги механічних режимів шліфування. Збільшення швидкості кола і поздовжньої подачі, за умови забезпечення необхідної якості поверхні, є найважливішим резервом підвищення продуктивності праці.
Електричні режими шліфування, як видно з зіставлення епюр залишкових напружень, отриманих при різних напругах джерела струму, справляють істотний вплив на величину залишкових напруг. Збільшення напруги джерела струму, тобто інтенсифікація електрохімічного розчинення і зменшення механічного знімання, призводить до зменшення залишкових напружень в тонкому поверхневому шарі, а глибина залягання при цьому практично не змінюється. Абразивне шліфування кругами з білого електрокорунду при тих же режимах призводить до утворення залишкових напружень розтягу, величина яких на поверхні досягає 40 кгс/мм2, а глибина залягання перевищує 1000 мкм.
Травлення зразків, прошліфовані абразивним інструментом, показало наявність сітки мікротріщин, утворення яких викликано значними (понад 1500 ° С) температурами шліфування в поверхневому шарі. Високі температури, що розвиваються при абразивному шліфуванні, зумовили утворення залишкових напружень розтягу. У той же час при електрохімічному шліфуванні температури в поверхневому шарі істотно нижчі і не перевищують для досліджених умов 250-300 ° С, що свідчить про їх незначний вплив на формування поверхневого шару.
При розробці конкретних для кожного даного випадку заходів з техніки безпеки потрібно виходити з урахування того, що електрохімічне шліфування здійснюється алмазними й абразивними колами, неправильна експлуатація яких може призвести до їх розриву, а електрохімічне розчинення супроводжується утворенням в зоні обробки газів і аерозолів, хімічним впливом електролітів , виділенням водню і т. д. Особливості процесу електрохімічного
розчинення вимагають дотримання ряду специфічних заходів.
Список літератури
Вайнберг Р. Р., Васильєв В. Г. Сила різання при електрохімічному шліфуванні жароміцних сплавів. Науково-технічний реферативний збірник «Алмази». М., НІІМАШ, 1973, № 2, с. 27-29.
Вайнберг Р. Р., Васильєв В. Г. Електрохімічне шліфування жароміцних сплавів алмазними колами на металевій зв'язці. - В зб. Економічність і точність абразивно-алмазної обробки. М "МДНТП, 1971. с. 59-64.
Васильєв В. Г., Вайнберг Р. Р., Серебренніков Ю. Б. Електрохімічне шліфування жароміцного сплаву алмазними колами. - «Електронна обробка матеріалів». Академія наук Молдавської РСР. Кишинів, 1974, № 2 (56).
Захаренко І. п., Савченко Ю. Я. Вплив характеристики алмазних кіл на показники електролітичної спільної обробки твердого сплаву. - «Синтетичні алмази», 1973, № 1. с. ; 30-34.