Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения

Рассмотрено влияние состава высокопористых шлифовальных кругов из cBN на эффективность процесса шлифования закаленной стали при охлаждении масляным туманом и без охлаждения. Экспериментальными исследованиями и статистическим анализом полученных результатов установлено, что энергоемкость процесса съе...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2013
Main Author: Старков, В.К.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2013
Series:Сверхтвердые материалы
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126063
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения / В.К. Старков // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 5. — С. 56-62. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126063
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1260632025-02-23T17:38:00Z Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения Highly porous wheels of cubic boron nitride for dry grinding Старков, В.К. Исследование процессов обработки Рассмотрено влияние состава высокопористых шлифовальных кругов из cBN на эффективность процесса шлифования закаленной стали при охлаждении масляным туманом и без охлаждения. Экспериментальными исследованиями и статистическим анализом полученных результатов установлено, что энергоемкость процесса съема материала, нагрев детали и шероховатость ее обработанной поверхности зависят от содержания cBN, порообразующих наполнителей и керамической связки в составе абразивной массы. Розглянуто вплив складу високопористих шліфувальних кругіві із cBN на ефективність процесу шліфування загартованої сталі при охолодженні масляним туманом і без охолодження. Експериментальними дослідженнями і статистичним аналізом отриманих результатів встановлено, що енергоємність процесу знімання матеріалу, нагрівання деталі і шорсткість її обробленої поверхні залежать від вмісту cBN, пороутворюючих наповнювачів і керамічної зв’язки у складі абразивної маси. The paper addresses the influence of composition of highly porous cBN grinding wheels on the efficiency of grinding hardened steel with oil mist cooling and without cooling. Experimental investigations and statistical analysis of test data have demonstrated that the power intensity of the material removal process, workpiece heating, and ground surface roughness depend on the amount of cBN, pore-forming fillers, and vitrified bond in the abrasive mix composition. 2013 Article Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения / В.К. Старков // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 5. — С. 56-62. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126063 621.922.025:661.657.5 ru Сверхтвердые материалы application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Исследование процессов обработки
Исследование процессов обработки
spellingShingle Исследование процессов обработки
Исследование процессов обработки
Старков, В.К.
Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения
Сверхтвердые материалы
description Рассмотрено влияние состава высокопористых шлифовальных кругов из cBN на эффективность процесса шлифования закаленной стали при охлаждении масляным туманом и без охлаждения. Экспериментальными исследованиями и статистическим анализом полученных результатов установлено, что энергоемкость процесса съема материала, нагрев детали и шероховатость ее обработанной поверхности зависят от содержания cBN, порообразующих наполнителей и керамической связки в составе абразивной массы.
format Article
author Старков, В.К.
author_facet Старков, В.К.
author_sort Старков, В.К.
title Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения
title_short Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения
title_full Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения
title_fullStr Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения
title_full_unstemmed Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения
title_sort высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate 2013
topic_facet Исследование процессов обработки
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126063
citation_txt Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения / В.К. Старков // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 5. — С. 56-62. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series Сверхтвердые материалы
work_keys_str_mv AT starkovvk vysokoporistyekrugiizkubičeskogonitridaboradlâšlifovaniâbezohlaždeniâ
AT starkovvk highlyporouswheelsofcubicboronnitridefordrygrinding
first_indexed 2025-11-24T04:26:56Z
last_indexed 2025-11-24T04:26:56Z
_version_ 1849644460927877120
fulltext www.ism.kiev.ua/stm 56 Исследование процессов обработки УДК 621.922.025:661.657.5 В. К. Старков (г. Москва) Высокопористые круги из кубического нитрида бора для шлифования без охлаждения Рассмотрено влияние состава высокопористых шлифовальных кругов из cBN на эффективность процесса шлифования закаленной стали при охлаждении масляным туманом и без охлаждения. Экспериментальными иссле- дованиями и статистическим анализом полученных результатов установлено, что энергоемкость процесса съема материала, нагрев детали и шероховатость ее обработанной поверхности зависят от содержания cBN, порообразующих наполнителей и керамической связки в составе абразивной массы. Ключевые слова: высокопористые шлифовальные круги из cBN, состав абразивной массы, кубический нитрид бора, сухое шлифование. ВВЕДЕНИЕ Одной из экологических проблем, связанных с применением процессов механической обработки, в частности шлифования, является ис- пользование в больших объемах смазочно-охлаждающих технологических сред. Возрастающие объемы их использования, с одной стороны, повышают себестоимость обработки деталей, с другой стороны, увеличивается количе- ство отходов (при шлифовании – это мелкодисперсный шлам из смеси абра- зивов и стружки, трудно подающийся утилизации). Стремление интенсифицировать процессы шлифования путем увеличения скорости и глубины резания приводит к пропорциональному возрастанию теплонапряженности в зоне обработки и необходимости увеличивать расход смазочно-охлаждающей жидкости для снижения риска термических повреж- дений обрабатываемой детали. Реализация современных высокопроизводи- тельных методов шлифования, например высокоскоростного шлифования по методу Гюринга или профильного глубинного шлифования, обеспечивается при подаче смазочно-охлаждающей жидкости под давлением 0,5–2,0 МПа с расходом до 200–400 л/мин и связано с применением специальных устройств для ее фильтрации и охлаждения, что усложняет конструкцию станочной системы и удорожает стоимость обработки детали. Решающим аргументом в пользу отказа от использования смазочно- охлаждающих жидкостей при шлифовании становятся также возрастающие © В. К. СТАРКОВ, 2013 ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 5 57 затраты на эксплуатацию систем охлаждения в современных шлифовальных станках – на их функционирование расходуется до 80 % потребляемой мощ- ности. Положительный опыт шлифования без применения принудительного ох- лаждения был получен при использовании высокопористых шлифовальных кругов на основе электрокорунда различных модификаций [1, 2]. В данной работе рассмотрена возможность шлифования деталей из зака- ленных сталей высокопористыми шлифовальными кругами из кубического нитрида бора (cBN) без охлаждения. Этот класс абразивного инструмента находит все более широкое применение в процессах шлифования деталей из сталей, никелевых и титановых сплавов и других конструкционных материа- лов. Как абразивный материал cBN в настоящее время заслужил репутацию наиболее эффективного в сравнении с алмазом, электрокорундом и карбидом кремния [3]. Ниже приведены результаты исследования различных возможных вариан- тов составов высокопористых шлифовальных кругов на основе cBN на кера- мической связке для обработки с минимальным охлаждением или без него. Идея использовать высокопористые круги (с высокими номерами струк- туры) для реализации процесса сухого шлифования хорошо зарекомендовала себя при обработке закаленных сталей инструментом на основе электроко- рунда белого. В частности, при сухом шлифовании на скорости 96 м/с кругом со структурой 19 (содержание зерен – 24 % (по объему)) нагрев обрабаты- ваемой поверхности детали не превысил 80 °С [3]. В качестве одного из направлений решения проблемы создания инстру- мента из cBN, который был бы дешевле своих аналогов, но при этом обладал эксплуатационными свойствами, необходимыми для эффективной реализа- ции процесса сухого шлифования, предложен также вариант повышения структурности его рабочего слоя. ЭКСПЕРИМЕНТ Приоритетной областью применения абразивного инструмента из cBN яв- ляется шлифование закаленных сталей. Авторами были разработаны и изго- товлены шлифовальные круги из кубического нитрида бора высокой прочно- сти (ЛКВ) торговой марки “Эльбор” на керамической связке K27. Исследова- ли пять кругов различного состава, в которых содержание cBN изменялось от 17 до 25 % (по объему), пористость – от 47 до 53 % (по объему) (это позволя- ет считать состав высокопористым), а зернистость была 200/160 (условное обозначение в работе ЛКВ20), 160/125 (ЛКВ16) и 125/100 (ЛКВ12). Состав абразивной массы шлифовальных кругов был разработан с учетом технологических принципов, изложенных в [3–5], в частности учитывали следующие рекомендации: – высокопористая абразивная композиция состояла из зерен cBN заданно- го размера, абразивного и порообразующего наполнителей, керамической связки и клеящей добавки; – абразивными наполнителями были зерна микрокристаллического ко- рунда, изготовленного по SG-технологии, размером на два порядка меньше, чем размеры зерен cBN ; – как порообразующие наполнители использовали микросферы из алюмо- силиката размером от 5 до 560 мкм и частицы молотых фруктовых косточек с размерами аналогичными размеру зерен cBN; www.ism.kiev.ua/stm 58 – для управления твердостью инструмента варьировали количество кера- мической связки и абразивного наполнителя; – изменение пористости обеспечивали введением молотых фруктовых косточек, которые выгорали при обжиге. Оригинальность разработанных рецептурных составов инструмента из cBN заключается в замене традиционного абразивного наполнителя в виде зерна из карбида кремния зеленого микрокристаллическим корундом (этот абразив в настоящее время начинают использовать как альтернативу кубиче- скому нитриду бора), а для формирования пористости предложены молотые фруктовые косточки и алюмосиликатные микросферы. Состав изготовленных для исследований шлифовальных кругов из cBN с размерами 90×12×25 приведен в табл. 1. Таблица 1. Состав шлифовальных кругов из cBN Шлифовальный круг VcBN н cBN V V Vсв Относительная пористость ЛКВ20-1 ЛКВ16-2 ЛКВ20-3 ЛКВ16-4 ЛКВ16-5 0,21 0,19 0,17 0,25 0,19 0,68 0,58 0,49 0,89 0,57 0,095 0,10 0,090 0,085 0,080 0,47 0,49 0,51 0,49 0,53 Примечание. VcBN – относительное объемное содержание cBN в инструменте; н cBN V V – отношение объемного содержания cBN и наполнителей; Vсв – относительное объемное содержание в шлифовальном круге керамической связки. В составе исследуемых шлифовальных кругов содержится три ключевые компонента – зерна cBN, наполнитель и керамическая связка, которые опре- деляют объемно-структурное строение рабочего слоя круга и его эксплуата- ционные свойства. Твердость изменялась от 34 (ЛКВ16-5) до 46 (ЛКВ16-2) HRC. Исследования работоспособности высокопористых шлифовальных кругов из cBN проводили на экспериментальной базе германского научно- исследовательского института IWU-Fraunhofer (Chemnitz, Германия) на круг- лошлифовальном станке мод. KEL-VARIA UR175/1500 фирмы “Kellenber- ger”, Германия*. С цилиндрических образцов из закаленной стали 100Cr6 твердостью 56– 61 HRC с исходным диаметром 42 мм методом врезного шлифования за каж- дый опыт удалялся припуск толщиной 0,2 мм. Режим врезного шлифования был принят для всех шлифовальных кругов одинаковым: скорость круга – 42,2 м/с, скорость вращения детали – 42,4 м/мин, подача на врезание – 5 мкм на оборот детали. На данном режиме шлифования производительность процесса по скорости съема материала со- ставляет 3,53 мм3/(с·мм). Каждый опыт повторяли три раза. Работоспособность инструмента оценивали при трех вариантах обработ- ки: с обильным охлаждением зоны шлифования эмульсией, с минимальным * В проведении лабораторных исследований участвовали инженеры IWU- Fraunhofer S. Gentzen, C. Steineke и D. Brau. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 5 59 охлаждением ее масляным туманом и без охлаждения. Последние два вари- анта можно рассматривать как экстремальные условия шлифования инстру- ментом из cBN . Охлаждение производили эмульсией HOMMEL Ecolube W71-10. При ох- лаждении с минимальным количеством смазки использовали установку MMS фирмы “Bielomatik”, Германия. Как смазку применяли масло MSK-98 102 фирмы “Chemie GmbH”, Германия, с вязкостью 50–60 мм2/с при 20°С. После каждого эксперимента шлифовальный круг правили алмазным ро- ликом фирмы “Dr Kaiser”, Германия, с диаметром 125 мм, углом 40°, радиу- сом 0,5 мм и с алмазным покрытием HP7. По рекомендации фирмы “Dr Kai- ser” был выбран метод правки Punktcrushieren. Параметрами для сравнения работоспособности шлифовальных кругов из cBN были: – удельная энергоемкость процесса шлифования η с размерностью Дж/мм3, которую вычисляли как отношение мощности шлифования W к фак- тической скорости съема материала QW; – приращение температуры обработанной поверхности образца ΔΘ, °C, измеряемой контактным методом с помощью измерительного щупа; – шероховатость шлифованной поверхности образца по параметрам Rz и Ra. Измерение температуры и шероховатости обработанной поверхности об- разцов производили с помощью портативных установок непосредственно на станке сразу после завершения опыта. Исходная температура заготовки перед экспериментом составляла во всех случаях 19 °С. На рисунке показан пример сухого шлифования стального образца шли- фовальным кругом из cBN. Сухое шлифование шлифовальным кругом из cBN. РЕЗУЛЬТАТЫ Экспериментально установлено, что характеристики шлифовального кру- га из cBN, зависящие от его состава, оказывают большое влияние на процесс шлифования с охлаждением, с минимальным охлаждением и без охлаждения зоны обработки. www.ism.kiev.ua/stm 60 Результаты сравнительных испытаний высокопористых кругов из cBN пя- ти различных составов на постоянном режиме врезного шлифования, усред- ненные по трем проведенным экспериментам, представлены в табл. 2. Таблица 2. Результаты сравнительных испытаний кругов из cBN различных составов Характеристики процесса шлифования с охлаждением эмульсией с охлаждением туманом без охлаждения Шлифоваль- ный круг η, Дж/мм3 ΔΘ, °С Ra, мкм Rz, мкм η, Дж/мм3 ΔΘ, °С Ra, мкм Rz, мкм η, Дж/мм3 ΔΘ, °С Ra, мкм Rz, мкм ЛКВ20-1 7,21 0,9 2,48 14,3 8,38 4,7 2,73 15,7 9,52 7,0 3,12 18,1 ЛКВ16-2 8,9 2,6 3,32 15,1 5,58 3,5 3,17 20,8 7,86 4,5 3,23 19,2 ЛКВ12-3 15,78 0,5 2,08 12,4 13,21 2,7 2,48 16,4 9,61 6,4 2,63 15,0 ЛКВ16-4 7,03 0,7 2,72 15,1 5,04 1,8 2,58 16,5 7,27 0,8 2,46 15,5 ЛКВ16-5 10,46 1,3 2,91 17,6 5,46 2,6 3,6 19,9 6,91 3,3 3,14 19,6 Среднее значение 9,74 1,2 14,9 2,7 7,53 3,1 15,9 2,9 8,23 4,4 17,5 2,9 По всем исследуемым параметрам режущей способности разработанные составы инструмента заметно отличаются друг от друга. Мощность процесса шлифования при постоянной интенсивности съема материала по величине η варьируется до 2,2 раз, приращение температуры обработанной поверхности – до 8,8 раз и ее шероховатости – до 1,6 раз. Использованный экспресс-метод контактного измерения температуры шлифованной поверхности, возможно, не обеспечивает точной ее оценки. Но в данном случае при измерении температуры нагрева поверхности после об- работки этот метод оказался достаточно чувствительным для сравнительного анализа различных вариантов состава инструмента. Зафиксированная темпе- ратура шлифованной поверхности коррелирует с достигнутым уровнем теп- лонапряженности зоны резания. При шлифовании без охлаждения, например, максимальным значениям η соответствуют максимальные приращения ΔΘ. Дополнительными металлографическими исследованиями не обнаружено структурно-фазовых изменений в поверхностном слое образцов и каких-либо термических повреждений. Этот факт является прямым подтверждением отсутствия критического нагрева исследованной закаленной стали, чувстви- тельной к возможным изменениям структуры. Относительно большие значения шероховатости обработанной поверхно- сти по параметрам Ra и Rz характерны для схемы круглого наружного врез- ного шлифования с постоянной подачей круга на каждый оборот детали, также как и их незначительное увеличение при экстремальных условиях об- работки. Кроме того, это свидетельствует о работе круга в режиме умеренно- го самозатачивания с постоянным обновлением режущих кромок зерен за время цикла эксперимента. При введении выхаживающего прохода без врезания круга, например ЛВК16-4, формируемая шероховатость поверхности образца существенно уменьшается до значений Ra = 0,69 мкм и Rz = 4,8 мкм. В табл. 2 представлены также обобщенные данные для всех исследуемых составов в виде средних значений характеристик режущей способности инст- румента для трех условий обработки – с охлаждением эмульсией, масляным ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 5 61 туманом и без охлаждения. Их анализ дает возможность оценить целесооб- разность изготовления высокопористых шлифовальных кругов из cBN по технологическим принципам, изложенным выше. Установлено, что такие круги позволяют, по сравнению с обработкой с принудительным охлаждением поливом, уменьшить энергоемкость процесса съема материала почти на 30 % при шлифовании с масляным туманом и на 18 % – при сухом шлифовании. Незначительный нагрев обрабатываемой по- верхности образца (в среднем до 4,4 °С), безусловно, не может рассматривать- ся как негативный фактор. Наблюдаемое увеличение шероховатости шлифо- ванной поверхности легко устраняется выхаживающим проходом круга. Таким образом, можно сделать заключение, что предложенные техноло- гические принципы могут быть рекомендованы при изготовлении высокопо- ристых кругов из cBN для шлифования закаленных сталей без охлаждения или с минимальным охлаждением масляным туманом. При компьютерной статистической обработке экспериментальных данных корреляционным анализом обнаружена тесная связь компонентов состава круга с исследованными характеристиками процесса шлифования [6]. Это позволяет установить степень влияния того или иного компонента на ожи- даемые результаты шлифования. При сухом шлифовании, например, содержание керамической связки очень сильно влияет на удельную энергоемкость процесса η и нагрев поверх- ности образца ΔΘ (коэффициенты парной корреляции равны 0,848 и 0,832 соответственно). В меньшей степени на них влияет содержание cBN (коэф- фициенты парной корреляции – 0,384 и 0,683 соответственно) и практически не влияет его зернистость (0,117 и 0,014 соответственно). Дифференцированный анализ результатов, полученных для высокопорис- тых кругов из cBN пяти различных составов на постоянном режиме шлифо- вания, показал, что наилучшим оказался круг ЛКВ16-4. При обработке с ох- лаждением и без охлаждения указанный круг сохраняет практически на од- ном уровне свою режущую способность по удельной энергоемкости процесса η, приращению температуры шлифованной поверхности ΔΘ и параметрами ее шероховатости Ra и Rz. Среди исследованных вариантов состава рабочего слоя круг ЛВК16-4 имеет наибольшую концентрацию cBN – 100 (25 % (по объему)), и мини- мальное объемное содержание использованных наполнителей – 28 % (по объему) в виде абразивных зерен SG, выгорающих и невыгорающих порооб- разователей, содержание керамической связки – 8,5 % (по объему). При дальнейшем форсировании режима шлифования за счет увеличения подачи врезания с 5 до 20 мкм на оборот круга удалось обеспечить эффек- тивную обработку образцов из закаленной стали 100Cr6 кругом ЛВК16-4 без охлаждения при производительности в 4 раза выше – 14,12 мм3/(мм·с). ВЫВОДЫ По результатам производственных испытаний высокопористых кругов из cBN на керамической связке, изготовленных в виде композиций из эльбора высокой прочности, зернистостью 200/160, 160/125 и 125/100 с объемной концентрацией от 17 до 25 % наполнителя в виде зерен микрокристалличе- ского корунда и порообразователей в виде молотых фруктовых косточек и алюмосиликатных микросфер установлено, что они могут быть эффективно использованы при шлифовании закаленных сталей без охлаждения или с минимальным охлаждением масляным туманом. www.ism.kiev.ua/stm 62 Среди исследованных вариантов составов кругов наиболее оптимальным является круг, рабочий слой которого содержит, % (по объему): кубического нитрида бора – 25, наполнителей и порообразователей – 28, керамической связки – 8,5. Высокопористые круги из cBN позволяют по сравнению с обработкой с обильным охлаждением эмульсией снизить до 18 % энергопотребление шли- фования закаленной стали без охлаждения и до 30 % при обработке с охлаж- дением масляным туманом. Структурно-фазовые изменения в поверхностном слое образцов или термические повреждения на шлифовальной поверхности при этом отсутствуют из-за несущественного ее нагрева. Розглянуто вплив складу високопористих шліфувальних кругіві із cBN на ефективність процесу шліфування загартованої сталі при охолодженні масляним тума- ном і без охолодження. Експериментальними дослідженнями і статистичним аналізом отриманих результатів встановлено, що енергоємність процесу знімання матеріалу, нагрівання деталі і шорсткість її обробленої поверхні залежать від вмісту cBN, пороут- ворюючих наповнювачів і керамічної зв’язки у складі абразивної маси. Ключові слова: високопористі шліфувальні круги із cBN, склад абразив- ної маси, кубічний нітрид бору, сухе шліфування. The paper addresses the influence of composition of highly porous cBN grinding wheels on the efficiency of grinding hardened steel with oil mist cooling and without cooling. Experimental investigations and statistical analysis of test data have demonstrated that the power intensity of the material removal process, workpiece heating, and ground surface roughness depend on the amount of cBN, pore-forming fillers, and vitrified bond in the abrasive mix composition. Keywords: highly porous cBN grinding wheels, abrasive mix composition, cubic boron nitride, dry grinding. 1. Соломенцев Ю. М., Старков В. К., Neugebauer R, Harzbecker C. Высокопроизводи- тельное шлифование без применения смазочно-охлаждающих средств // Конструктор- ско-технологическая информатика 2000: Труды IV междунар. конгресса: В 2 т. – М.: МГТУ “СТАНКИН”, 2000. – T. 2. – С. 156–158. 2. Соломенцев Ю. М., Старков В. К., Neugebauer R., Harzbecker C. Экологически безо- пасное и высокопроизводительное шлифование без применения смазочно-охлаждаю- щих средств // Экологически безопасное шлифование – шлифование без применения смазочно-охлаждающих средств. – М.: МГТУ “СТАНКИН”, 2001. – С. 4–97. 3. Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. – М.: Машиностроение, 2007. – 688 с. 4. Старков В. К., Рябцев С. А., Полканов Е. Г. Разработка и применение высокопористых шлифовальных кругов из кубического нитрида бора // Технология машиностроения. – 2004. – № 4. – С. 26–33. 5. Пат. 2152298 РФ, МПК7 B24D3/18, B24D3/34. Масса для изготовления абразивного инструмента / В. К. Старков. – Заявл. 11.10.99; Опубл. 20.07.2000. 6. Starkov V. K., Sergushev G. N. Generalized statistical models of cutting tool life // Russ. Eng. J. – 1979. – 59, N 6. – P. 42–44. Московский государственный Поступила 24.05.13 технологический ун-т “Станкин”