НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Булошников В.С.

к.т.н., доцент каф. МТ-2 МГТУ им.Н.Э.Баумана

Дела алмазные

(обзор работ сотрудников кафедры МТ-2 по шлифованию)

Начиная с 1958…60 г.г. на кафедре “Теории механической обработки и инструмента” (ныне "Инструментальная техника и технологии – МТ-2) в МВТУ им. Н.Э.Баумана проводились исследования алмазного шлифования. Сначала инструментами из природных алмазов, а начиная с1964 г. инструментами из отечественных синтетических алмазов, полученных из Украинского института сверхтвердых материалов и Томилинского алмазно-абразивного завода. До 1985 г. было выполнено более 20 научно-исследовательских работ в области алмазного шлифования, причем только в одной из хоздоговорных тем было испытано 88 кругов различных характеристик, для которых потребовалось более 5.000 карат синтетических алмазов. Результаты этих работ были использованы при разработке стандартов на алмазный и эльборовый инструмент в части технических требований и Всесоюзных методик определения износа и режущих свойств алмазно-абразивного инструмента в лабораторных условиях.

В процессе выполнения научно-исследовательских работ был создан целый ряд очень важных методик проведения исследований:

-    производительности шлифования,

-   износа кругов и удельного расхода абразива,

-   удельной работы и мощности шлифования,

-   теплового режима шлифования,

-   геометрии рельефа режущей поверхности круга, шероховатости и качества шлифованной поверхности,

-   рекуперации абразива из шлама и ряд других.

При отработке этих методик были спроектированы и изготовлены ряд приборов и стендов, хорошо зарекомендовавших себя при исследовании круглого и плоского шлифования. Эти разработки нашли широкое применение в других исследовательских лабораториях, в том числе и за рубежом, где они были изготовлены по чертежам, разработанным на кафедре.

В лексику инженерных и научных работников прочно вошли такие понятия как

-   удельный расход алмаза q – отношение массы израсходованного алмаза к массе сошлифованного материала, выраженное мг/г;

-   приведенная работа шлифования А_пр – отношение затраченной при шлифовании работы к интенсивности съема материала Q_м ;

-   приведенная интенсивность шлифования Q_м^пр – отношение интенсивности съема материла к нормальной составляющей силы резания Р_z;

-   коэффициент абразивного резания f_a – отношение тангенциальной и нормальной составляющей силы резания при шлифовании.

На основе выполненных работ сформировалась общепринятая терминология в области абразивной обработки и абразивного инструмента. Результаты научных исследований были доложены на восьми научно-технических конференциях Всесоюзного и международного уровня. Было получено 9 авторских свидетельств на устройства для измерений отдельных параметров, на абразивную массу для изготовления шлифовальных кругов и на способы их изготовления.

По данным, полученным в результате выполнения одной из хоздоговорных тем, было показано, что сила – наиболее важный параметр, определяющий физическую сущность процесса шлифования. Нормальная составляющая силы резания является причиной внедрения алмазного зерна в обрабатываемый материал, под действием тангенциальной составляющей совершается работа срезания слоя, упругое деформирование материала и работа трения контактных поверхностей.

Работа сил резания и сил трения при шлифовании в основном превращается в теплоту, а рабочая температура алмазного круга прямо пропорциональна силе резания. Поэтому нормальная и тангенциальная составляющие силы резания, наряду со скоростью относительного перемещения и характеристикой контактирующих поверхностей, определяют производительность шлифования, износ круга, температуру на поверхности шлифования, шероховатость обработанной поверхности и структурное состояние материала заготовки.

Опыты, проведенные в лаборатории кафедры, показали, что при алмазном шлифовании твердых сплавов между минутным съемом твердого сплава и нормальной силой существует почти прямо пропорциональная зависимость. Было также экспериментально доказано, что минутный съем твердого сплава, отнесенный к нормальной составляющей силы резания, является критерием режущей способности алмазного круга. Величины составляющих силы резания при алмазном шлифовании зависят от физико-механических свойств обрабатываемых материалов, режимов шлифования, характеристики алмазного круга и других условий шлифования.

Экспериментальные исследования этих зависимостей при шлифовании твердых сплавов, ферритов, кварца, керамики, полупроводниковых и других материалов позволили установить оптимальные режимы шлифования и характеристики шлифовальных кругов, обеспечивающие необходимые технологические требования к обрабатываемому изделию при достижении высокой производительности и экономичности обработки.

Для комплексных испытаний алмазно-абразивного инструмента были созданы испытательные стенды на базе заточного, плоскошлифовального и круглошлифовального станков. Все они были оснащены силоизмерительными устройствами (динамометрами) оригинальной конструкции (рис.1) с чувствительными элементами в виде колец с наклеенными на них тензодатчиками.

Диапазоны измеряемых сил от 2,5 до 250 Н при жесткости от 1200 до 5600 Н/мм и собственной частоте 220…230 Гц. Тензометрическая станция, к которой подключались динамометры, имела усилитель с блоком питания, фильтр, осциллограф с записью на ультрафиолетовую бумажную ленту, счетчик импульсов, счетно-импульсную схему и реле времени, позволяющие через определенное число циклов автоматически фиксировать составляющие силы резания при шлифовании и крутящие моменты. Стенды позволяли вести испытания, как с постоянной нагрузкой, так и с постоянной интенсивностью съема материала.

Кроме измерения составляющих силы резания и крутящих моментов на стенде было реализовано измерение температур в зоне резания с использованием инфракрасного излучения из зоны шлифования через канал предварительно образованный в теле абразивного инструмента. Для фиксации инфракрасного излучения был спроектирован и изготовлен прибор (рис.2), оснащенный охлаждаемым жидким азотом фотосопротивлением на основе селенистого индия.

Прибор устанавливался на стенде и имел тонкую регулировку для точного совмещения оптической оси прибора и отверстия в шлифовальном круге, для получения максимального сигнала теплового излучения с поверхности шлифуемого образца. Прибор позволял измерять температуры от 100 до 1000°С.

Для определения коэффициентов распределения тепловых потоков между деталью и абразивным инструментом использовался созданный на кафедре проточный калориметр (рис.3), где одна поверхность. закрепленного в нем образца, шлифуется, а другая омывается потоком жидкости, постоянно протекающей через каналы калориметра с заданной скоростью. На входе и выходе жидкости установлены термопары, подключенные по дифференциальной схеме к фотопирометру с ценой деления шкалы 0,01°С. Разность температур на входе и выходе жидкости позволяла рассчитать количество тепла поступившего в деталь. Погрешность измерений составляла не более 5%.

Существенный вклад внесла кафедра в методику и приборное оснащение измерения размерного износа и определения удельного расхода сверхтвердых абразивных материалов. Начиная от метода измерения массы изношенного алмазного круга и обоснования его неэффективности; координатного метода с использованием оптического вертикального длинномера с ценой деления 1 мкм, что значительно повышает точность измерений и позволяет сократить продолжительность опыта. И, наконец, метод профилографирования режущей поверхности алмазного круга до и после шлифования, что еще больше позволяет повысить точность, сократить время эксперимента и расходные материалы (алмазный круг и шлифуемые образцы). На один из таких приборов, позволяющий записывать рабочий профиль шлифовального круга непосредственно на заточном станке, было получено авторское свидетельство.

На кафедре была разработана методика определения удельного расхода синтетических алмазов и кубического нитрида бора, предусматривающая определение содержания абразивных зерен в шламе с последующей гранулометрической обработкой рекуперированного абразива. Для определения влияния шлифуемого материала, характеристик круга и режима шлифования на расход абразива введена относительная величина – удельный расход материала абразива по шламу q_ш (отношение массы рекуперированного абразива М_ар к массе шлама М_ш, подвергнутого рекуперации).

Исследования по этой методике позволяют установить некоторые закономерности механизма износа алмазного круга и обосновывают возможность повторного использования абразивных порошков. Методика имеет ряд преимуществ перед методиками определения удельного расхода абразива, основанными на расчете массового содержания абразивных зерен в объеме изношенной части инструмента за период опыта. Отпадает необходимость снимать круг со станка перед началом и по окончании опыта, в его чистке, сушке и взвешивании или измерении его размеров. Методику можно использовать для испытания инструментов любых размеров с простым и сложным профилем. Результаты этих исследований были использованы для создания новых композиций алмазсодержащего слоя и выбора рациональных условий шлифования.

На протяжении многих лет кафедра работала над созданием методики и приборов для исследования рельефа режущей поверхности абразивных инструментов. Такие исследования позволяют получить важную информацию о режущей способности шлифовального круга, дают геометрические параметры рельефа рабочей поверхности. Кафедра является пионером профилографирования режущей поверхности шлифовальных кругов. Проведенные в 1957-1958 гг. исследования в этой области опережают подобные работы, выполненные другими авторами, в том числе и за рубежом.

В соответствии с этой методикой по профилограмме определяют показатели, которые зависят от характеристики алмазного инструмента: физико-механических свойств алмазных порошков, их зернистости и массового или объемного содержания в алмазоносном слое, физико-механических свойств связок и наполнителей, которые вводятся в связки для повышения эффективности процесса шлифования. К этим показателям относятся:

-   - относительная опорная длина профиля на фиксированном уровне р и ее изменение по высоте профиля t_p,

-   шаг между соседними профилями зерен на фиксированном уровне и его изменение по высоте профиля, S_p = l/N_p , где N_p– число пар пересечений профильной линии прямой фиксированного уровня;

-   среднее число зерен на единице длины фиксированного уровня N_р¹ = 1/ S_p;

-средний размер зерна b_р на фиксированном уровне.

Наибольшую информацию о рельефе дают относительная опорная длина профиля и шаг между соседними профилями зерен. Остальные параметры являются производными от этих.

Условия шлифования, в свою очередь, влияют на изменения рельефа рабочей поверхности круга; наибольшее влияние оказывает продолжительность шлифования, характеристика обрабатываемого материала и режимные параметры процесса.

Изучение основных закономерностей формирования рельефа и описание геометрии рабочей поверхности методами математической статистики позволяют перейти к определению геометрии срезаемого слоя и расчету силовых и температурных зависимостей при шлифовании. Профилографирование режущей поверхности алмазных кругов было осуществлено усовершенствованном на профилографе-профилометре завода “Калибр”. Усовершенствование прибора заключалось в том, что алмазная ощупывающая игла была заменена иглой из твердого сплава. Это позволило при профилографировании кругов на металлических связках при помощи дополнительного электронного блока и дополнительного пера в самописце на электрографической ленте параллельно с профилограммой рабочей поверхности алмазного круга получать метки расположения алмазных зерен (рис.4). При помощи этого прибора была создана геометрическая модель участка режущей поверхности алмазного круга площадью 2,5Ч2,5 мм в масштабе 80:1, что составило площадь модели 200Ч200 мм. Статистическая обработка топограмм подтвердила представительность отдельной профилограммы для количественной оценки рельефа рабочей поверхности шлифовального круга и надежность предложенной методики профилографирования.

Результаты работ в области алмазного шлифования были опубликованы в журналах “Станки и инструменты”,”Алмазы” и в ряде сборников, что позволило широко популяризировать основные результаты среди широкого круга инженеров и специалистов промышленности. Разработанные на кафедре стенды и композиции алмазных шлифовальных кругов были внедрены на заводах алмазного инструмента в Томилино, Ленинграде, Полтаве и во ВНИИАЛМАЗе. Общий экономический эффект от выполненных исследований составил более 5,5 миллионов "старых" рублей.

Вся эта огромная работа, проводившаяся в течение более 25 лет, была выполнена большим коллективом сотрудников, принадлежащих к самым разным поколениям – от убеленных сединой до самых юных представителей нашего замечательного студенчества. Все работы выполнялись под общим руководством профессора, доктора технических наук, заведующего кафедрой Грановского Герберта Ивановича.

Непосредственное руководство работами осуществлял доцент, ныне профессор, кандидат технических наук Попов Сергей Александрович. Организатором работ и главным конструктором являлся доцент Николай Петрович Малевский. Исполнителями работ были штатные сотрудники кафедры: Л.М.Терещенко, В.С.Булошников, Ю.М.Мясников, В.Г.Виноградов, А.Н.Логинов, М.И.Шестаков; аспиранты: В.М.Давыдов, Л.К.Лукашев, Л.С.Соколова, Г.Т.Ершова, В.А.Понайоти, Н.В.Баринова, Л.С.Сенченкова; студенты: В.В.Кузнецов, В.В.Белодед, А.А.Гоов, Т.Д.Чарикова, Г.А.Башура, В.П.Тимохин, М.М.Коломин.

Материалы научных исследований легли в основу восьми кандидатских диссертаций, выполненных вышеперечисленными сотрудниками.