Використання алмазовмісних переривчастих стрічок на каучукових зв‘язках для підвищення втомної витривалості виробів з твердих сплавів

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ТЕХНОЛОГИИ»

Бычихин В.Н., Пащенко Е.А., д.т.н., проф.,
Лажевская О.В., к.т.н., Черненко А.Н.,
Савченко Д.А., к.т.н., Щур Н.А., Скороход С.В

Розглянуті особливості складу та властивостей алмазовмісних переривчастих стрічок на каучукових зв‘язках на основі синтетичного каучуку СКН-40 з різними наповнювачами. Показана можливість створення значних напружень стиснення в поверхневих шарах виробів з твердого сплаву, а також суттєвого підвищення їх втомної витривалості внаслідок шліфування розробленими інструментами на каучукових зв‘язках.

Переривчасті стрічки та пластини на каучукових зв‘язках є перспективним напрямком створення інструментальних виробів, оскільки дозволяють виготовляти шліфувальні круги практично необмежених розмірів. Для їх ефективного застосування необхідно було створити тверді каучукові зв’язки типу ебоніту і напівебоніту, які забезпечили б підвищений зйом оброблюваного матеріалу і одночасно мали б високу зносостійкість. Як високомолекулярну основу зв’язок типу ебоніту і напівебоніту застосовували полярний бутадієн-нітрильний каучук марки СКН-40 з вмістом до 40% нітрилу акрилової кислоти. Цей каучук утворює ебоніт і напівебоніт та має комплекс властивостей, що дозволяє створити на його основі зв’язки, які відповідають вимогам до зв’язок алмазного інструменту за тепло-, зносо-, водо-, масло-, бензостійкістю і здатністю поєднуватися з іншими полярними полімерами.

Оскільки бутадієн-нітрильний каучук не кристалізується, його фізико-механічні властивості, в тому числі опір зтиранню, значно підвищуються при введенні активних наповнювачів-підсилювачів, особливо технічного вуглецю.

Подібні дослідження широко відомі при розробці складу еластичних гум. Зазвичай в них вводиться 45–100 мас. ч. технічного вуглецю на 100 мас. ч. каучуку. Однак літературні дані про посилення і підвищення зносостійкості твердих гум типу напівебоніту і ебоніту шляхом введення в них технічного вуглецю відсутні. Це можна пояснити тим, що вироби з ебоніту застосовують, в основному, як електроізолятори, і введення в них технічного вуглецю в великих кількостях призводить до погіршення діелектричних властивостей. Відомо тільки, що іноді технічний вуглець вводиться в ебоніт в кількості 3–5% як барвник для отримання глибокого чорного кольору, але таке незначне дозування не впливає на зносостійкість ебоніту.

Оскільки зниження діелектричних властивостей ебоніту, призначеного для виготовлення зв’язок алмазних шліфувальних переривчастих стрічок, не відбивається на їх працездатності, необхідно було вивчити вплив технічного вуглецю на зміну зносостійкості твердих каучукових зв’язок типу напівебоніту і ебоніту.

Оскільки зниження діелектричних властивостей ебоніту, призначеного для виготовлення зв’язок алмазних шліфувальних переривчастих стрічок, не відбивається на їх працездатності, необхідно було вивчити вплив технічного вуглецю на зміну зносостійкості твердих каучукових зв’язок типу напівебоніту і ебоніту.

З цією метою у зв’язці типу ебоніту (Р74) і напівебоніту (Р58), що містять відповідно 40 і 30 мас. ч сірки на 100 мас. ч. каучуку, вводили технічний вуглець марки ДГ‑100 в кількості 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 мас. ч. на 100 мас. ч каучуку.

Оскільки ці зв’язки вже були наповнені полівінілхлоридом, фенольним зв’язуючим СФ‑012 А, оксидами цинку і магнію, вводити в них на вальцях навіть 35 мас. ч. технічного вуглецю було технологічно важко, а сирі суміші після змішування з порошками алмазу та абразиву виходили дуже жорсткими, погано формувалися.

Підвищення зносостійкості зв’язок з технічним вуглецем побічно спостерігали за зносостійкістю виготовленого на їх основі інструменту — кругів 1 А1 250х25х5х32 з ріжучим шаром з переривчастих стрічок, АСШЛ-П 300 × 140 × 10 × 5‑АС4 160/125–12,5; 64 С20 Н (КЗ20) –137,5.

Було встановлено (табл. 1), що технічний вуглець в дозуваннях 15–30 мас. ч. на 100 мас. ч. каучуку помітно знижує відносну сумарну витрату алмазів і абразивів. Тому в каучукові зв’язки Р29, Р30, що йдуть на виготовлення алмазних еластичних переривчастих стрічок, доцільно вводити технічний вуглець. Паралельно з технічним вуглецем для порівняння перевіряли дію інших наповнювачів на каучукові зв’язки типу ебоніту. Для цього в зв’язку вводили наповнювачі: аеросил А‑175, карбід кремнію зелений КЗМ 7/0, нітрид кремнію, пірогенний кремнезем в обсязі, відповідному 30 мас. ч. технічного вуглецю на 100 мас. ч. каучуку. На цих зв’язках були виготовлені переривчасті стрічки і круги, аналогічні попереднім. Шліфували твердий сплав ВК‑8.

Таблиця 1. Залежність сумарної питомої витрати порошків алмазу та абразиву від вмісту в каучукової зв’язці технічного вуглецю марки ДГ‑100

Вміст сірки в мас. ч. на 100 мас. ч. каучуку
Вміст технічного вуглецю марки ДГ?100 в каучукових зв’язках. У мас. ч. на 100 мас. ч. каучуку
- 5 10 15 20 25 30 35
Сумарна питома витрата алмазу та абразиву в мг/см 3 твердого сплаву ВК-8
30 214,65 213,30 205,74 196,29 187,11 176,58 150,66 211,95
40 71,82 71,01 64,80 64,26 49,68 42,93 66,69 72,63

 

Результати випробувань наведені в табл. 2. Отримані дані порівнювали щодо зносостійкості кругів з алмазовмісним шаром на каучуковій зв’язці, що містить технічний вуглець, і зі зв’язкою, яка не містить наповнювачів.

Таблиця 2. Залежність сумарної відносної витрати порошків алмазу та абразиву від виду наповнювача, що міститься в каучукової зв’язці алмазовмісного шару кругів

Як видно з табл. 2, пірогенний кремнезем і нітрид кремнію не знижує сумарну питому витрату порошків алмазу та абразиву в інструменті (порівняти зв’язки Р74 без наповнювачів і Р137, Р135).

Цей показник найбільш помітно знижується при введенні в зв’язку технічного вуглецю ДГ‑100 і аеросилу А‑175. Нами було віддано перевагу технічному вуглецю, оскільки цей матеріал характеризується більш стабільними властивостями.

Вплив якісних характеристик поверхні твердого сплаву на його втомну довговічність докладно вивчено в ряді робіт. В даний час відомо, що різні види технологічної обробки твердого сплаву можуть як покращити, так і істотно погіршити фізико-механічні властивості поверхневого шару матеріалу. Крім того, характеристики опору втомного руйнування матеріалу є одними з найбільш чутливих механічних характеристик до зміни стану поверхні. Тому при визначенні перспектив використання нових видів обробки твердосплавних виробів, експлуатованих, в основному, в умовах дії повторно-змінних навантажень, необхідно оцінити вплив цих видів обробки на опір втомного руйнування матеріалу.

Зокрема, оцінювали вплив обробки кругами з алмазовмісним шаром з переривчастих стрічок типу АСШЛ на каучуковій  зв‘язці на втомну довговічність твердого сплаву.

Зазначений інструмент може успішно застосовуватись при декоративному шліфуванні алюмінієвих сплавів, обробки газотермічних покриттів і тонкій обробці сталі. Такі круги дозволяють обробляти практично будь-які матеріали, причому процес обробки відрізняється порівняно низькими температурами в зоні різання. До переваг цих кругів можна віднести ту обставину, що вони можуть бути виготовлені в умовах споживача в короткі терміни і різних габаритів.

Дослідження проводили на прямокутних зразках розмірами 5 × 5 × 35 мм. Матеріал зразків — твердий сплав ВК8. Шліфування твердосплавних виробів здійснювали кругом прямого профілю діаметром 250 мм на пласковерстаті «Totes». Партія ідентичних зразків після спікання була розділена на три групи, кожна з яких оброблялася за певним режимом: режим 1 — шліфування традиційними кругами з порошком алмазу АС4 100/80–100 на зв’язці Б1; режим 2 — шліфування кругами з алмазовмісним шаром з переривчастих стрічок типу АСШЛ з порошком алмазу АС4 100/80–100 на зв’язці Р29; режим 3 — обробка за режимом 2 з наступним доведенням кругами з алмазовмісним шаром зі стрічок АСШЛ з порошком алмазу АСМ 20/14–50 на зв’язці Р21. Обробку вели на постійних режимах шліфування: швидкість кругу υ = 25 м/с; подачі Sпов = 5 м/ хв, Sпоп = 3 мм/ дв.хід; глибини шліфування: груба обробка t = 0,03–0,02 мм, тонка — t =  0,005–0,010 мм на прохід. При шліфуванні використовувалося МОР — 0,5 %, водний содовий розчин.

Втомні випробування проводили на високочастотній установці на базі електродинамічного вібростенда ВЕДС‑400. Зразки випробовували при частоті 400 Гц. При експериментах реалізовувалася схема трьохточкового вигину зразка.

Максимальну напруга циклу було вибрано з умови σmax = 0,6·σвиг, де σвиг — межа міцності матеріалу при вигині (σвиг = 1100 МПа). Коефіцієнт асиметрії циклу навантаження R = 0,5. Результати випробувань одержували у вигляді діаграм розподілу довговічності зразків при фіксованому діапазоні зміни навантаження. Слід зазначити високу чутливість характеристик втоми твердого сплаву до структурної неоднорідності матеріалу до внутрішніх дефектів. Спроби застосування для опису експериментальних даних різних законів розподілу ймовірності втомного руйнування твердого сплаву показали, що найбільш прийнятним для нашого випадку є логарифмічний нормальний закон розподілу. Аналіз отриманих даних показав, що вплив на втомну довговічність твердого сплаву механічної обробки за режимом 2 практично не відрізняється від впливу обробки за режимом 1. У той же час режим 3 дозволяє збільшити втомну довговічність твердого сплаву в 5–6 разів у порівнянні з режимами 1 і 2 (при 50 % ймовірності руйнування).

Отримані результати можна пояснити, розглянувши основні чинники, які характеризують стан поверхні після механічної обробки — шорсткість поверхні і залишкові напруги 1 роду. Шорсткість поверхні Ra після алмазного шліфування за режимами 1, 2 і 3 становить відповідно 0,19; 0,053; 0,014 мкм. Отримана шорсткість поверхні відповідає вимогам щодо високих класів і тому не може мати істотного впливу на довговічність твердого сплаву як самостійний фактор. Однак цей вплив буде мати місце в сукупності з дією залишкових напружень 1 роду в поверхневому шарі. Останній фактор є визначальним при аналізі втомної довговічності твердого сплаву. Як відомо, після спікання в поверхневому шарі твердих сплавів мають місце залишкові напруги розтягу порядку 500–100 МПа. Подальша абразивна обробка повністю знімає напружений шар і формує нове поле напружень. Можна відзначити, що обробка твердого сплаву новими кругами за режимом 2 створює в області поверхні зразка напругу стиснення близько 1000 МПа. Однак на глибині 2 мкм ці залишкові напруги переходять в розтягнення і досягають максимуму (500 МПа) на глибині 5 мкм (рис. 1).

Рис. 1. Розподіл залишкових напруг у поверхневому шарі зразків з твердого сплаву ВК‑8 після шліфування кругом 1 А1 200 × 20 × 5 × 32 АС4 125/100 на напівебонітовій зв‘язці. 1, 2, 3 — обробка за режимами 1, 2, 3.

Наявність напруг, що розтягують, в поверхневому шарі твердого сплаву негативно позначається на довговічності матеріалу, так як в твердому сплаві є безліч різних дефектів типу мікротріщин і пор, які при циклічному навантаженні розвиваються і призводять до руйнування виробів. Відсутність напруг, що розтягують, в поверхневому шарі, а також високі значення напруг стиснення на поверхні, як це отримано при обробці за режимом 3, сприятливим чином позначається на підвищенні міцності і довговічності твердого сплаву. Незначна відмінність довговічності твердого сплаву, підданого обробці за режимами 1 і 2, можна пояснити тим, що хоча напруження розтягу в при поверхневому шарі після обробки за режимом 1 менше (близько 250 МПа), проте вони поширюються на велику глибину (до 30 мкм), тоді як розтягуючі напруги після обробки за режимом 2 наближаються до нуля вже на глибині 15 мкм.

Напрацьований досвід дозволяє зробити висновок, що круги з алмазовмісним шаром з переривчастих стрічок типу АСШЛ можуть бути успішно використані для шліфування твердого сплаву. Слід зазначити, що використання на тонких операціях шліфування кругів з алмазовмісним шаром з переривчастих стрічок типу АСШЛ з частками дрібнозернистого алмазу  (3‑й режим обробки) дозволяє істотно підвищити втомну довговічність матеріалу.

Попередні виробничі випробування по обробці твердосплавних різців кругів з алмазовмісним шаром з переривчастих стрічок типу АСШЛ з порошками алмазу  АСМ 20/14–50 на зв’язці Р21 показали, що після обробки різців на окремих операціях різання відмічено підвищення стійкості заточеного інструменту в 1,5–2 рази. Внеском у позитивний ефект може також бути зменшення мікро­нерівностей на поверхні твердого сплаву, що призводить до зменшення температури при знятті стружки. Використання кругів з алмазовмісним шаром з переривчастих стрічок типу АСШЛ для обробки твердосплавних виробів, зокрема ріжучого інструменту, є перспективним.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.