Алмазные шлифовальные круги НА НОВЫХ СИЛОКСАНОВЫХ СВЯЗКАХ, ОТВЕРЖДАЕМЫХ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕМ

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИНСТРУМЕНТ»

Пащенко Е. А., Бычихин В. Н.,

Савченко Д. А., Кухаренко С. А.,

Кошкин А. М., Рябченко С. В.,

Довгань А. Г., Вирченко В. С.,

ИСМ НАН Украины

Шлифование твердых, вязких, износостойких, склонных к образованию дефектов инструментальных и конструкционных материалов остается актуальной проблемой машиностроения. Применение нового шлифовального оборудования требует создания абразивных композитов, сочетающих характерные особенности разных традиционных видов связок инструментов из сверхтвердых материалов.

Специалисты ИСМ НАН Украины изучили процессы структурообразования в инструментальных полимер-керамических композитах в поле электромагнитного излучения СВЧ-диапазона.

Были исследованы процессы функционализации циклотрисилоксанов и циклотетрасилоксанов, происходящие с прививкой к ним глицидиловых групп в качестве носителей эпоксидного цикла, с целью получения новых олигомерных связующих для порошков алмаза и КНБ. В результате было установлено, что в условиях СВЧ-облучения удельной мощностью 12–16 Вт/см 3 в присутствии активатора количество привитых эпоксидных групп линейно зависит от времени обработки, что обеспечивает эффективное технологическое регулирование свойств абразивных композитов.

Техническая эффективность абразивного инструмента определяется сочетанием трех основных показателей:

  • состояние поверхностного слоя обрабатываемых материалов (шероховатость, наличие и концентрация дефектов, функциональные характеристики);
  • максимальная производительность шлифования, при которой состояние поверхностного слоя, сформированного в условиях интенсивного термомеханического воздействия, все еще остается удовлетворительным;
  • износостойкость абразивного композита.

Очевидно, что расход сверхтвердого абразива (алмаз или КНБ) будет увеличиваться с ужесточением режима эксплуатации инструмента и, соответственно, с увеличением съема обрабатываемого материала. Важно, однако, чтобы темп увеличения износа инструмента в этом случае был меньше, чем темп прироста производительности. В противном случае возникают проблемы с размерной стойкостью инструмента, что ведет к крайне нежелательной необходимости частых правок кругов или остановке автоматического оборудования.

Повышение производительности шлифования без ущерба для качественных показателей обработанных поверхностей представляет собой заманчивую перспективу для всех пользователей абразивного инструмента, независимо от назначения, точности и типа функциональных характеристик поверхностного слоя изготавливаемых изделий. По совокупности рабочих характеристик: стойкости, производительности шлифования различных современных материалов, возможности обеспечения заданных параметров макро- и микрогеометрии обработанных поверхностей — для получения максимально высоких рабочих параметров инструментальных композитов, содержащих порошки СТМ, следует стремиться к сочетанию в таких системах свойств полимерных и керамических связок.

Наш подход к реализации этой программы основан на использовании новых разработанных нами связующих на основе силоксановых олигомеров. Как показали наши исследования, молекулы линейных силоксановых олигомеров способны к формированию совершенного адгезионного контакта с поверхностью алмаза и КНБ как за счет сил Ван-дер-Ваальса, так и путем хемосорбции. При термообработке линейный силоксановый полимер постепенно теряет некоторое количество исходных органических функциональных групп, переходя в жесткую стеклоподобную структуру с высокой износостойкостью, теплостойкостью, а также с высокой сопротивляемостью агрессивному воздействию компонентов СОТС.

В ходе экспериментов мы оценивали все три упомянутые выше основные аспекты рабочего поведения разработанных СТМ- содержащих композитов. Комплекс свойств, объединяемых собирательным инженерным термином «режущая способность» композитов, изучался на испытательном стенде, работающем по упругой схеме, когда величина съема обрабатываемого материала не задается, но контролируется в ходе эксперимента и характеризует контактное поведение абразивного инструмента. В обоих случаях в качестве обрабатываемого материала выступали закалённые стали. Для сравнения использовался серийный абразивный инструмент на стандартной фенолоформальдегидной связке, содержащий те же порошки КНБ, что и наши экспериментальные образцы.

Результаты экспериментов приведены на рис. 1, рис. 2. Полученные данные иллюстрируют два взаимосвязанных аспекта контактного поведения разработанных композитов: их способность к удалению максимального (при идентичном усилии прижима) припуска обрабатываемого материала и стойкость к СОТС. В обоих случаях (шлифование стали ШХ‑15 без охлаждения и шлифование стали Р6 М5 с СОТС на масляной основе) разработанные нами композиты на основе силоксановых полимеров продемонстрировали явное преимущество по отношению к серийно выпускаемому композиту, содержащему порошок КНБ той же зернистости в равной концентрации.

В первом приближении механизм, лежащий в основе превосходства новых композитов над традиционными по составу и структуре аналогами, сводится к последствиям высокой адгезионной активности связующего к поверхности КНБ, а также к проявлениям высокой теплостойкости и пониженной молекулярной подвижности структуры, особенной для силоксановых материалов, подвергнутых спеканию-конденсации в условиях СВЧ-облучения.

Эти качества способны обеспечить такие условия, когда равновесное среднее выступание зерен абразива в рабочей зоне для нового композита оказывается больше, чем для стандартных аналогов. При этом зерна прочно удерживаются связкой и обеспечивают больший съем при менее интенсивном тепловом воздействии на обрабатываемую поверхность, чем это имеет место для серийных композитов.

Дополнительным фактором, способствующим проявлению большей режущей способности (например, определяемой как максимальная производительность шлифования, при которой не наблюдается резкий рост дефектности обработанной поверхности), выступает микроструктура полученных нами композитов. Начиная с температурной области вблизи верхнего предела собственно полимеризации, и при более высоких температурах, соответствующих процессу спекания-конденсации, силоксановый полимер пронизан капиллярными порами с характерными сечениями порядка 10–2 мкм.

 

 

Рис. 1. Зависимость скорости съема стали ШХ‑15 от силы давления на инструмент:

1 — серийный композит, абразив — КНБ 50/40;

2 — композит на основе силоксанового полимера, абразив — КВ 50/40

 

Рис. 2. Зависимость скорости съема стали Р6 М5 от силы давления на инструмент в среде специальной СОТС на масляной основе:

1 — композит на основе силоксанового полимера, абразив — КВ 63/50;

2 — серийный композит, абразив — КВ 63/50

Это позволяет композиту аккумулировать в своем поверхностном слое низкомолекулярные компоненты СОТС и эффективно переносить их в зону непосредственного контакта с обрабатываемым материалом. Прочность удержания наиболее распространенного компонента СОТС (воды), оцененная термодесорбционным методом, представлена на рис. 3, рис. 4. Результаты свидетельствуют, что оптимальный технологический процесс изготовления композитов позволяет существенно увеличить их способность к транспортированию компонентов СОТС в зону формирования стружки.

Высокая адгезионная активность разработанных связующих к порошкам СТМ, в первую очередь к поверхности КНБ, позволяет значительно полнее реализовать потенциал зерен сверхтвердых абразивов, чем это возможно в составе традиционных композитов на полимерных связках или на основе легкоплавких стекол. Эта особенность иллюстрируется рис. 5. Для традиционных абразивных композитов, как правило, существует оптимальна концентрация зерен СТМ, выше которой стойкость инструмента падает. Для композитов на основе силоксановых связующий оказалось, что повышение концентрации КНБ (в данном случае КВ 80/63) неизменно ведет к увеличению стойкости шлифовального круга.

Это открывает возможность получения элитных шлифовальных кругов из КНБ для особо ответственных условий применения, сочетающих чрезвычайно высокую размерную стойкость, близкую к стойкости кругов на металлических связках, с высокой режущей способностью полимерных и керамических связок инструмента из СТМ.

Испытания разработанного инструмента на специальном шлифовально-заточном станке-автомате с ЧПУ фирмы JUNGNER модели US 600 CNS подтвердили высокий уровень работоспособности разработанных шлифовальных кругов по сравнению с аналогами швейцарского производства.

Рис. 3. Прочность адсорбционного удержания воды композитами на основе силоксановых полимеров, наполненных АС20 63/50.

Температура термообработки композита, К: 1–473; 2–673; 3–823; 4–1023

Рис. 4. Прочность адсорбционного удержания воды композитами на основе силоксановых полимеров, наполненных КВ 63/50.

Температура термообработки композита, К: 1–473; 2–673; 3–823; 4–1023

Рис. 5. Зависимость относительного расхода КВ 80/63 от концентрации абразива в инструментальном композите при шлифовании быстрорежущей стали Р6 М5 (производительность — 600 мм 3/мин):

1 — серийный композит на фенолоформальдегидном связующем; 2 — композит на основе силоксанового полимера

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

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