Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар
Рассмотрены вопросы обрабатываемости нового наноструктурного твердого сплава ВолКар на основе анализа удельной энергоемкости процесса алмазно-искрового шлифования. Показано, что, несмотря на несколько большую энергоемкость шлифования сплава ВолКар по сравнению со сплавом ВК6, суммарная технологическ...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63444 |
| 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: | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар / Р.М. Стрельчук, М.Д. Узунян // Сверхтвердые материалы. — 2010 — № 1. — С. 69-74. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859604538617495552 |
|---|---|
| author | Стрельчук, Р.М. Узунян, М.Д. |
| author_facet | Стрельчук, Р.М. Узунян, М.Д. |
| citation_txt | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар / Р.М. Стрельчук, М.Д. Узунян // Сверхтвердые материалы. — 2010 — № 1. — С. 69-74. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Рассмотрены вопросы обрабатываемости нового наноструктурного твердого сплава ВолКар на основе анализа удельной энергоемкости процесса алмазно-искрового шлифования. Показано, что, несмотря на несколько большую энергоемкость шлифования сплава ВолКар по сравнению со сплавом ВК6, суммарная технологическая себестоимость его использования существенно ниже, так как заточенные им инструменты обладают более высокой износостойкостью.
Розглянуто питання оброблюваності нового наноструктурного твердого сплаву ВолКар на основі аналізу питомої енергоємності процесу алмазно-іскрового шліфування. Доведено, що, не дивлячись на незначно більшу енергоємність шліфування сплаву ВолКар у порівнянні зі сплавом ВК6, сумарна технологічна собівартість його використання нижча, тому що заточені ним інструменти мають більш високу зносостійкість.
The problems of machinability of the WolKar new nanostructural hard alloy have been studied by analyzing a specific energy intensity of the diamond-spark grinding. It has been shown that despite the somewhat higher energy intensity of grinding the WolKar alloy as compared with grinding the WC–6Co alloy, the total technological net cost of using the WolKar alloy is essentially lower as tools sharpened by it exhibit a higher wear resistance.
|
| first_indexed | 2025-11-28T03:11:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 1 69
УДК 621.923
Р. М. Стрельчук, М. Д. Узунян (г. Харьков)
Анализ энергоемкости алмазно-искрового
шлифования наноструктурного твердого
сплава ВолКар
Рассмотрены вопросы обрабатываемости нового нанострук-
турного твердого сплава ВолКар на основе анализа удельной энергоемкости
процесса алмазно-искрового шлифования. Показано, что, несмотря на несколько
большую энергоемкость шлифования сплава ВолКар по сравнению со сплавом
ВК6, суммарная технологическая себестоимость его использования существен-
но ниже, так как заточенные им инструменты обладают более высокой износо-
стойкостью.
Ключевые слова: наноструктурный твердый сплав ВолКар,
удельная энергоемкость, суммарная технологическая себестоимость, алмазно-
искровое шлифование.
Разработанный новый наноструктурный твердый сплав на ос-
нове монокарбида вольфрама без связующего материала ВолКар по сравне-
нию с обычными твердыми сплавами характеризуется более высокой твердо-
стью, а применение режущих пластин из него благодаря повышенной изно-
состойкости позволяет существенно увеличить производительность обработ-
ки резанием [1]. По классификации наноматериалов по форме и химическому
составу твердые сплавы марки ВолКар можно отнести к следующим группам
[2]: по расположению кристаллитов и границ раздела — к четвертой группе,
т. е. к равноосным, а по химическому составу — к первой группе, к нанома-
териалам с одинаковым химическим составом кристаллитов и границ разде-
ла. Исследуемый материал способен конкурировать с кубическим нитридом
бора при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов [1]. Особенно-
стью данного инструментального материала является отсутствие в нем дорого-
стоящих связующих металлов, таких как кобальт и никель, что позволяет ис-
пользовать его при высокоскоростной обработке различных труднообрабаты-
ваемых закаленных сталей. В структуре сплава ВолКар содержатся только
зерна WC с размерами до 100 нм; исходный материал до прессования по спе-
циальной технологии представляет собой порошок WC с размерами 40—
70 нм [3]. Инструменты из данного материала могут заменить дорогостоящие
алмазные инструменты и инструменты на основе кубического нитрида бора (гек-
санит, киборит и др.) — стоимость их приблизительно в 2 раза ниже, чем вставок
на основе BN.
Физико-механические свойства сплава представлены в таблице [4]. Высо-
кие физико-механические свойства твердого сплава ВолКар по сравнению с
известными материалами обусловлены высокодисперсными зернами и проч-
ными границами между ними, что объясняется малым временем выдержки и
невысокой температурой спекания.
С целью расширения возможностей использования разработанного мате-
риала представляется целесообразным проведение исследований его обраба-
© Р. М. СТРЕЛЬЧУК, М. Д. УЗУНЯН, 2010
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 70
тываемости. Одним из наиболее достоверных критериев оценки обрабаты-
ваемости является удельная энергоемкость процесса шлифования [5].
Основные физико-механические свойства пластин из сплава ВолКар
Твердость, HRА 95—97
Твердость HV, ГПа 23—25
Плотность, мг/м 14,5
Прочность при сжатии, МПа 2600—2800
Прочность при изгибе (Т = 20—900 °С), МПа 600—800
Теплопроводность, Вт/мК
при 22 °С
при 400 °С
20
30
Модуль упругости, ГПа 300
Трещиностойкость KIс, МПа⋅м–1/2 8,5—12
Анализ энергоемкости и экспериментальные исследования проводили на
универсально-заточном станке мод. 3Д642Е, модернизированном для обра-
ботки методом алмазно-искрового шлифования (АИШ). Шлифование осу-
ществляли торцом круга 12А2-45° АС6 100/80 на металлической связке Ml-
01 с обратной полярностью подсоединением положительного полюса источ-
ника питания к алмазному кругу, а отрицательного — к обрабатываемому ма-
териалу. Источником питания служил специальный генератор импульсов.
Электрические режимы были следующие: величина технологического
тока Iср = 5 А, частота электроимпульсов f = 22 кГц, скважность nскв = 2.
Изучали влияние режимов резания — нормального давления рн, скорости
резания v и характеристик алмазного круга — зернистости Z и концентрации
алмазов K, а также времени шлифования τ. Для сравнения исследовали энер-
гоемкость шлифования пластин из твердого сплава ВК6.
Удельную энергоемкость Вм шлифования определяли отношением энер-
гии (работы А, Дж), расходуемой в единицу времени на снятие массы Δm, кг
материала [6, 7]:
m
AB
Δ
=м .
Работу шлифования А рассчитывали как произведение тангенциальной
силы резания Pz и скорости резания v, а массу материала определяли исходя
из объема снятого материала в единицу времени (производительность Qм) и
его плотности. Тангенциальную силу резания Pz измеряли по упругой схеме
шлифования с помощью специального динамометра.
В условиях алмазно-искрового шлифования влияние нормального давле-
ния на удельную энергоемкость при обработке наноструктурного твердого
сплава ВолКар и твердого сплава ВК6 по характеру зависимостей проявляет-
ся одинаково (рис. 1). Однако, как видно, энергоемкость шлифования твердого
сплава ВолКар выше, чем ВК6, что связано с более интенсивным износом
субмикрокромок алмазных зерен вследствие низкой теплопроводности и высо-
кой твердости наноразмерных зерен карбида вольфрама. В этих условиях час-
тично теряется способность режущих кромок внедряться и производить про-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 1 71
порциональный съем материала, в связи с этим рост энергетических затрат
опережает увеличение производительности.
6,5
6,0
5,5
5,0
0,4 0,8 1,2 1,6
1
2
В
м
, Дж/кг
p
н
, МПа
Рис. 1. Влияние нормального давления на энергоемкость шлифования сплавов ВолКар (1)
и ВК6 (2); v = 25 м/с.
Изменение скорости резания в диапазоне от 15 до 35 м/с (рис. 2), способ-
ствует увеличению энергетических затрат при шлифовании испытуемых ма-
териалов. Как видно из рис. 2, увеличение скорости для наноструктурного
твердого сплава ВолКар приводит к пропорциональному росту работы реза-
ния алмазными зернами, что играет главную роль в повышении энергоемко-
сти процесса, так как прирост съема материала при повышении скорости до
35 м/с начинает замедляться, а при шлифовании традиционного твердого
сплава ВК6 повышение скорости резания свыше 25 м/с способствует увели-
чению темпа роста съема материала, что в свою очередь вызывает некоторое
снижение роста энергоемкости шлифования.
15 25 35
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
1
2
В
м
, Дж/кг
v, м/с
Рис. 2. Влияние скорости резания на энергоемкость шлифования сплавов ВолКар (1) и
ВК6 (2); pн = 0,8 МПа.
Следует отметить, что влияние режимов шлифования — нормального
давления и скорости резания на удельную энергоемкость процесса в основ-
ном определяется преимущественным ростом работы резания, а съем мате-
риала не оказывает заметного влияния на характер зависимостей.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 72
Влияние же характеристик алмазного круга и характер зависимостей Вм от
них объясняется в основном количественным фактором, а именно, числом
зерен, участвующих в работе и определяющих суммарный съем материала.
На рис. 3 и 4 представлены соответствующие зависимости. Поскольку нор-
мальное давление и скорость резания при исследовании влияния зернистости
и концентрации алмазов в алмазных кругах остаются неизменными, то, сле-
довательно, работа резания также постоянна. Поэтому на характер кривых и
их отличительное изменение в основном влияет съем материала, т. е. произ-
водительность. При алмазно-искровом шлифовании, обеспечивающем актив-
ное самозатачивание режущей поверхности круга, количество сошлифованно-
го материала зависит от числа рабочих зерен в контакте с обрабатываемой
поверхностью. В этом смысле мелкозернистые круги и круги повышенных
концентраций, имеющие большее число зерен, приобретают преимущество.
Именно этим можно объяснить особенности и характер кривых зависимостей
Вм от зернистости и концентрации алмазов.
Z, мкм
1
2
50/40
4,0
5,0
6,0
7,0
В
м
, Дж/кг
100/80 160/125 200/160
Рис. 3. Влияние зернистости алмазов на энергоемкость шлифования сплавов ВолКар (1) и
ВК6 (2); pн = 0,8 МПа, v = 25 м/с.
4,0
5,0
6,0
1
2
50 100 150 200
В
м
, Дж/кг
K, %
Рис. 4. Влияние концентрации алмазов на энергоемкость шлифования сплавов ВолКар (1)
и ВК6 (2); pн = 0,8 МПа, v = 25 м/с.
Представляет интерес анализ изменения удельной энергоемкости в зави-
симости от продолжительности шлифования наноструктурного твердого спла-
ва ВолКар (рис. 5). Шлифование алмазными кругами на органической связке
приводит к большому удельному расходу алмазов, а применение алмазных
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 1 73
кругов на металлической связке в обычных условиях без введения дополни-
тельной энергии в зону резания вызывает интенсивное засаливание рабочей
поверхности круга и потерю режущей способности. При алмазно-искровом
шлифовании режущая способность кругов на металлической связке сохраня-
ется практически постоянной в течение длительного времени. Удельная энер-
гоемкость шлифования твердого сплава ВолКар при АИШ, также как и сплава
ВК6, изменяется весьма незначительно, что свидетельствует о пропорцио-
нальном изменении работы резания и соотвествующем ей съеме материала во
времени.
102 4 6 8
1
2
5,0
6,0
7,0
В
м
, Дж/кг
τ, мин
Рис. 5. Влияние времени на энергоемкость шлифования сплавов ВолКар (1) и ВК6 (2); рн =
0,8 МПа, v = 25 м/с.
Шероховатость поверхности сплава ВолКар после шлифования меньше,
чем традиционных твердых сплавов. Например, при шлифовании нанострук-
турного сплава ВолКар Ra = 0,32 мкм, а сплава ВК6 при таких же условиях
Ra = 0,47 мкм. Более высокая твердость рассматриваемого материала при его
взаимодействии с режущей поверхностью алмазных кругов способствует
образованию значительно большего количества субмикрокромок на каждом
зерне, чем при шлифовании других материалов с учетом стабильно развитого
рельефа (АИШ); кроме того нанозернистая структура материала также спо-
собствует снижению шероховатости обработанной поверхности.
Сопоставление и анализ значений удельной энергоемкости шлифования в
различных условиях показывает, что новый наноструктурный твердый сплав
на основе монокарбида вольфрама ВолКар, имеющий достаточно высокую
износостойкость, отличается более низкой обрабатываемостью по сравнению
с обычными твердыми сплавами. Большее значение удельной энергоемкости
шлифования твердого сплава ВолКар по сравнению со сплавом ВК6 вызыва-
ет и незначительное увеличение удельной себестоимости шлифования Сш.
Следует отметить, что удельная себестоимость шлифования и заточки не
отражает качественное состояние изделий и инструмента в реальных услови-
ях эксплуатации; потребителя интересует надежность приобретенной про-
дукции и, в конечном счете, экономическая целесообразность ее применения.
Проблему качественного результата следует рассматривать не только при
изготовлении изделий и инструментов, но и в процессе их эксплуатации [8].
Высокая износостойкость, определяющая значительно большую длину пути
резания при точении труднообрабатываемых материалов, способствует тому,
что суммарная технологическая себестоимость Ст использования нанострук-
турного твердого сплава ВолКар существенно ниже. Например, длина пути
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 74
резания L при точении закаленной стали ХВГ (HRCэ 55—58) на чистовых
режимах резания (v = 110 м/мин, S = 0,075 мм/об, t = 0,2 мм) с критерием
износа режущего инструмента hз = 0,4 мм составила 1350 м для нанострук-
турного твердого сплава ВолКар, а для сплава ВК6 — 1050 м; суммарная
технологическая себестоимость Ст с учетом удельной себестоимости шлифо-
вания соответственно составляет 47,21 коп/мин для твердого сплава ВолКар
и 65,62 коп/мин для сплава ВК6. Изложенный подход отвечает развиваю-
щимся в последнее время тенденциям, связанным с инжинирингом качества
[9].
Таким образом, можно констатировать существенное преимущество ново-
го наноструктурного твердого сплава ВолКар при его использовании в каче-
стве режущих пластин по сравнению с традиционными твердыми сплавами.
Розглянуто питання оброблюваності нового наноструктурного твер-
дого сплаву ВолКар на основі аналізу питомої енергоємності процесу алмазно-іскрового
шліфування. Доведено, що, не дивлячись на незначно більшу енергоємність шліфування
сплаву ВолКар у порівнянні зі сплавом ВК6, сумарна технологічна собівартість його вико-
ристання нижча, тому що заточені ним інструменти мають більш високу зносостій-
кість.
Ключові слова: наноструктурний твердий сплав ВолКар, питома енер-
гоємність, сумарна технологічна собівартість, алмазно-іскрове шліфування.
The problems of machinability of the WolKar new nanostructural hard alloy
have been studied by analyzing a specific energy intensity of the diamond-spark grinding. It has
been shown that despite the somewhat higher energy intensity of grinding the WolKar alloy as
compared with grinding the WC–6Co alloy, the total technological net cost of using the WolKar
alloy is essentially lower as tools sharpened by it exhibit a higher wear resistance.
Key words: WolKar nanostructural hard alloy, specific energy intensity, total
technological net cost, diamond-spark grinding.
1. Pat. 6617271 US, B1 МКИ С 04 В 35/36. Tungsten curbide cutting tool materials /
E. Gevorkian, M. Kramer, V. Kodash. — Publ. 17.03.2005.
2. Лякишев Н. П. Нанокристаллические структуры — новое направление развития конст-
рукционных материалов // Вестник РАН. — 2003. — 73, № 5. — С. 422—426.
3. Геворкян Э. С., Тимофеева Л. А., Чишкала В. А., Кислый П. С. Горячее прессование нано-
порошков монокарбида вольфрама при нагревании электрическим током // Наноструктурное
материаловедение. — 2007. — № 1. — С. 103—108.
4. Геворкян Э. С. Плотные и пористые конструкционные материалы из нано и субмик-
ронных порошков WC, Al2O3 и SiC полифункцнонального назначения: Дис. … докт.
техн. наук. — Харьков, 2007 — 276 с.
5. Филимонов Л. Н. Высокоскоростное шлифование. — М.: Машиностроение, 1979. — 242 с.
6. Маслов Е. Н. Теория шлифования материалов. — М.: Машиностроение, 1974. — 320 с.
7. Попов С. А., Малевский Н. П., Терещенко А. М. Алмазно-абразивная обработка металлов
и твердых сплавов. — М.: Машиностроение, 1977. — 263 с.
8. Харрингтон Дж. Х. Управление качеством в американских корпорациях. — М. Эко-
номика. — 1990. — 271 с.
9. Современные концепции качества за рубежом. — М.: Госстандарт РФ. — 1992. — 56 с.
Национальный технический ун-т “ХПИ” Поступила 26.10.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63444 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T03:11:49Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Стрельчук, Р.М. Узунян, М.Д. 2014-06-01T17:12:58Z 2014-06-01T17:12:58Z 2010 Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар / Р.М. Стрельчук, М.Д. Узунян // Сверхтвердые материалы. — 2010 — № 1. — С. 69-74. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63444 621.923 Рассмотрены вопросы обрабатываемости нового наноструктурного твердого сплава ВолКар на основе анализа удельной энергоемкости процесса алмазно-искрового шлифования. Показано, что, несмотря на несколько большую энергоемкость шлифования сплава ВолКар по сравнению со сплавом ВК6, суммарная технологическая себестоимость его использования существенно ниже, так как заточенные им инструменты обладают более высокой износостойкостью. Розглянуто питання оброблюваності нового наноструктурного твердого сплаву ВолКар на основі аналізу питомої енергоємності процесу алмазно-іскрового шліфування. Доведено, що, не дивлячись на незначно більшу енергоємність шліфування сплаву ВолКар у порівнянні зі сплавом ВК6, сумарна технологічна собівартість його використання нижча, тому що заточені ним інструменти мають більш високу зносостійкість. The problems of machinability of the WolKar new nanostructural hard alloy have been studied by analyzing a specific energy intensity of the diamond-spark grinding. It has been shown that despite the somewhat higher energy intensity of grinding the WolKar alloy as compared with grinding the WC–6Co alloy, the total technological net cost of using the WolKar alloy is essentially lower as tools sharpened by it exhibit a higher wear resistance. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Исследование процессов обработки Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар Стрельчук, Р.М. Узунян, М.Д. Исследование процессов обработки |
| title | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар |
| title_full | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар |
| title_fullStr | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар |
| title_full_unstemmed | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар |
| title_short | Анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава ВолКар |
| title_sort | анализ энергоемкости алмазно-искрового шлифования наноструктурного твердого сплава волкар |
| topic | Исследование процессов обработки |
| topic_facet | Исследование процессов обработки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63444 |
| work_keys_str_mv | AT strelʹčukrm analizénergoemkostialmaznoiskrovogošlifovaniânanostrukturnogotverdogosplavavolkar AT uzunânmd analizénergoemkostialmaznoiskrovogošlifovaniânanostrukturnogotverdogosplavavolkar |