Удк 621. 921. 2 621. 922. 025 И. Н. Сивков, Н. В. Носов, А. П. Амосов

УДК 621.921.2 621.922.025

И. Н. Сивков, Н. В. Носов, А. П. Амосов

ВЫСОКОПОРИСТЫЕ АБРАЗИВНЫЕ БРУСКИ ДЛЯ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ
На многих абразивных предприятиях нашей страны проблемой является получение абразивного инструмента из особо тонких микрошлифпорошков на керамических связках для суперфиниширования цилиндрических поверхностей деталей из закаленных сталей. Такой инструмент, если его изготавливать по традиционной для шлифзерна и шлифпорошков технологии, растрескивается, расслаивается и осыпается после термической обработки. Проблемой также является получение требуемых характеристик абразивных брусков.

Определение оптимальных характеристик и материала абразивных брусков невозможно без разработки адекватной математической модели процесса суперфиниширования. Рассмотрим порядок оптимизации структуры абразивного инструмента (АИ). АИ, как объект проектирования, характеризуется целым рядом параметров (d₀ – размер зерна, С₁ – объемная концентрация зерен в АИ, С₂ – объемная концентрация связки, С₃ – объёмная концентрация пор). Сочетание этих характеристик имеет бесчисленное множество вариантов. При этом задача сводится к выбору оптимальной характеристики АИ, т.е. сочетания марки абразива, зернистости, пористости и количества зерен и связки в зависимости от условий применения.

Суперфинишные бруски должны удовлетворять следующим требованиям:

- работа брусков в режиме самозатачивания, т.е. при определенных условиях рабочая поверхность должна разрушаться, обновляя нижележащие слои;

- отходы суперфиниширования должны не выводиться за пределы порового пространства, а накапливаться в нем, периодически перемещаясь вглубь абразивного инструмента;

- обеспечение требуемой производительности.

Известно, что эффективность обработки материалов абразивным инструментом зависит от правильно подобранной твердости зерна. Как правило, большинство исследователей [1] сходится во мнении, что необходимо выполнить условие H_м3 .>= 2НV_м, где H_м3 – микротвердость материала абразивного зерна, НV_м – твердость по Виккерсу материала заготовки.

Однако данное условие не учитывает влияние связки на общую твердость АИ. В работе [2] определялось средневзвешенное значение твердости АИ в зависимости от площади контакта зерна и связки с обрабатываемой поверхностью:

,

где А₀ – коэффициент сферичности зерен;

Н_мS – микротвердость связки, МПа;

b_S2/b_S1 b и b^I_S2/b^I_S1 – параметры начального участка кривой опорной площади, зависящие

от формы вершин зерен
Для расчетов по формуле составлена компьютерная программа. Результаты расчетов пористости АИ из электрокорунда белого, карбида кремния представлены на рис.1.



Рис.1 Влияние объемного содержания зерна на пористость АИ:

1 – Эльбор; 2 – Карбид кремния (63С); 3 – Электрокорунд (24А);

Из анализа графиков видно, что максимальную эффективность процесса могут обеспечить бруски из эльбора, которые позволяют использовать наиболее широкую область пористости. Однако из-за дороговизны эльбора целесообразнее использовать для операции суперфиниша карбид кремния. Поэтому высокопористые бруски для суперфиниширования изготавливались из карбида кремния зеленого. При объемной концентрации пор до 50%, объемная концентрация абразивного зерна составит 38 – 45 %, объемная концентрация связки 5-12% при номерах твердости М1 – М3.

Для оптимизирования рецептов изготовления высокопористых брусков были проведены исследования насыпной плотности компонентов абразивной шихты. Насыпная плотность зерен определяется на приборе ПНВ –1 в соответствии с ГОСТом 28924 – 91. Анализ изменения насыпной плотности показал, что с увеличением размера зерна 63С насыпная плотность повышается. Это связано с тем, что форма зерен 63С изменяется от игольчатой и пластинчатой к более округлой с увеличением зернистости.

Повышенная пористость абразивного инструмента была достигнута за счет увеличения удельной вязкости шихты и оптимизации процесса прессования. Повышенная вязкость шихты была достигнута путем изменения рецептов АИ (уменьшено содержание увлажнителя в шихте, повышена его концентрация – 50%-ный раствор декстрина вместо использовавшегося ранее 20%-ного раствора). Повышение концентрации раствора декстрина привело к увеличению вязкости его раствора и сохранению кубической укладки гранул. Кубическая укладка гранул дает максимально возможную теоретически для сферических тел пористость 48%. Так как получившиеся гранулы фактически имеют более развитую поверхность, чем сфера, то размер пор за счет этого увеличивается и фактическая общая пористость готовых брусков достигает 48..50%. Кроме того повышение вязкости шихты является одним из факторов. Предотвращающим растрескивание, расслоение и осыпание инструмента.

Повышенная пористость абразивного инструмента достигалась также при прессовании за счет регулирования навески формовочной массы. Уменьшая навеску при заданном давлении прессования мы целенаправленно варьируем структурными параметрами АИ, т.е. структурным углом и коэффициентом контактного взаимодействия гранул при неизменной рецептурной твердости абразивного инструмента.

Исследования показали, что нет жесткой зависимости между твердостью и пористостью, как указано в расчетных таблицах ГОСТа. Например твердости М2, М3 соответствуют расчетные гостовские значения 42 – 43,5%. В нашем случае применение новой технологии позволяет повысить пористость АИ при этих же номерах твердости до 49%. Таким образом, можно заключить, что фактическая общая пористость опытных брусков превышает расчетную на 7%.

Разрушение прессованных брикетов на этапах естественной сушки, сушки в сушильном шкафу и обжига было предотвращено за счет изменения времени сушки и скорости нагрева и охлаждения при обжиге. При длительной естественной сушке, образцы начинают поглощать влагу из воздуха, коробиться и растрескиваться. Трещины при обжиге возникают в зоне действия растягивающих термических напряжений, которые появляются из-за неодинаковой скорости нагрева или охлаждения поверхности и внутренних слоев инструмента. При образовании трещин на периферии следует скорректировать режим охлаждения, а в центре - режим нагрева.[1] В результате получен высокопористый абразивный инструмент не имеющий трещин, с небольшим разбросом твердости и плотности по поверхности и сечению.

Качество брусков определялось измерением твердости по ГОСТ 19202 – 80 и расчетом их общей пористости. Зная плотность изделия и его рецептуру, можно рассчитать объемное содержание пор в АИ. Как отмечалось выше, общая пористость опытных брусков составила

47 – 50% при номерах твердости М1-М3.

Кроме этого проверялась активная пористость путем пропиткой брусков керосином в вакууме в условиях принудительной фильтрации жидкости через поры с последующей выдержкой в течение нескольких часов (ГОСТ 18898-73) [2]. Активная пористость, определяемая сообщающимися порами, составила 27 – 30%.

Проведены сравнительные испытания брусков при суперфинишировании внутренних колец подшипников марок 7705.02, 11149.02, 7804.02, 7807.02, 7707.02. Исследования проводились на суперфинишных станках 9КС-13СМК ОАО СПЗ (Самарский подшипниковый завод). Обрабатывалась роликовая дорожка внутренних колец подшипников из стали ШХ15 HRC (63..64) с исходной шероховатостью поверхности Ra не более 0,3..0,4 мкм, диаметром 27,115 мм, шириной 14 мм. Режимы обработки: v_1из = 44,3м/мин - скорость изделия в режиме съема металла, v_2из = 88,6 м/мин - скорость изделия в режиме полировки; микроподача 0,5 мкм/с, время обработки:t₁ = 7с - время съема металла, t₂ = 4с – время полировки, количество качаний суперфинишной головки: 30 дв.х/мин, частота осцилляции бруска 1500 дв.х./мин, амплитуда осцилляции бруска 0,478 мм, усилие прижима бруска 50 Н. При работе с охлаждением применялись следующие смазывающе-охлаждающие жидкости: РЖ8 – 20%, масло И20 –80%; водно-содовый раствор). В качестве инструментов применялись опытные бруски из карбида кремния зеленого, зернистостью М7, твердостью М1, М2, М3, на керамической связке марки К3, пористость 48..50%.

Результаты испытаний характеристик опытных брусков сравнивались с характеристиками серийных брусков. При исследовании определялась производительность обработки Q (мкм/с), число обработанных колец удельная производительность q_м,, а также шероховатость обработанной поверхности Ra. Также контролировались следующие параметры микрогеометрии поверхности: непрямолинейность, некруглость, волнистость. Результаты испытаний приведены в табл.1.

Таблица 1

Испытания суперфинишных брусков.

Марка Бруска	Режимы обработки		Показатели процесса суперфиниширования
	Vиз, м/мин	Sпоп, мкм/с	Q, мкм/с	qм, мм3/мм3	Ra, мкм	Число колец, шт.
63СМ7М3	44,3/88,6	0,5	0,60	0,84	0,15	1050
63СМ7М3	---	---	0,55	0,9	0,13	1150
63СМ7М2	---	---	0,35	1,14	0,13	1350
63СМ7М2	---	---	0,40	0,98	0,14	1200
63СМ7М2	---	---	0,45	1,03	0,11	1250
Серийный 63СМ10М1	---	---	0,45	0,28	0,12	350

Из приведенных данных видно, что высокопористые бруски имеют стойкость и удельную производительность в 3 раза выше, чем серийные, что связано с их повышенными режущими свойствами. Величина шероховатости не превышала 0,16 мкм. Некруглость, непрямолинейность, волнистость не превышали допустимых значений.

Итак, в результате исследований предложена модель процесса суперфиниширования, позволившая обосновать выбор брусков с высокими эксплуатационными характеристиками. Опытная партия абразивных брусков успешно прошла заводские испытания. Разработанная технология изготовления высокопористых, износоустойчивых брусков готова к внедрению в производство. При этом ожидается значительный экономический эффект. Ввиду дефицита классифицированных микрошлифпорошков планируется наладить их производство на участке технопарка СамГТУ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. Под. ред. д.т.н. В.Н. Бакуля. М. «Машиностроение» 1975 г.

2. 
   Носов Н.В., Кравченко Б.А., Юхвид В.И., Китайкин В.Л. Абразивные СВС- материалы и инструменты: -
   

Самара, СамГТУ, 1997 г., 400 с.