Технология упрочнения и балансировки абразивных кругов

Качество выпускаемой продукции машиностроительного производства в значительной степени формируется на окончательных операциях технологического процесса механической обработки. Наиболее распространенным методом финишной обработки является шлифование, обеспечивающий высокую чистоту твердых обрабатываемых поверхностей. В целях повышения производительности обработки и увеличения чистоты обрабатываемой поверхности абразивным инструментом, увеличивают частоту вращения кругов. Однако возрастает опасность разрушения (разрыва) круга в процессе эксплуатации при превышении скорости вращения кругов определенной величины, обусловленной прочностью связки. Проблеме упрочнения абразивного инструмента посвящено ряд работ [1 - 5]. В настоящее время эта проблема решается двумя методами - регламентированием скорости вращения круга требованиями технической документации, а также упрочнением абразивных кругов армирующими элементами, вводимыми в структуру круга. Подобные решения позволяют улучшить характеристики круга, но не гарантируют их разрушения при эксплуатации.

В лаборатории наноструктурированных покрытий СамГТУ разработана высокоэффективная технология упрочнения абразивных кругов на керамической связке, работающих на повышенных скоростях вращения. Технология заключается в создании сжимающих остаточных напряжений в готовом абразивном круге, путем напыления корундового покрытия на боковые стороны круга с одновременным их упрочнением. Способ позволяет управлять конструктивной прочностью абразивного инструмента не внося существенных изменений в традиционный технологический процесс и не увеличивая значительно себестоимость изготовления кругов.

Известно, что при вращении абразивных кругов в них возникают радиальные и окружные напряжения [6], которые можно рассчитать по формулам (1) и (2) соответственно.

, МПа;

, МПа.

где - плотность материала круга, кг/м3; - угловая скорость круга, с-1; - ускорение свободного падения, м/с2; - коэффициент Пуассона; - наружный радиус шлифовального круга, мм; - внутренний радиус шлифовального круга, мм; - текущий радиус шлифовального круга, мм. Совокупность радиальных, окружных и остаточных растягивающих напряжений которые могут сформироваться при изготовления абразивных кругов приводят к опасности разрушения абразивных кругов в процессе их эксплуатации.

При детонационном напылении керамических покрытий в поверхностном слое абразивного инструмента (основы) создаются сжимающие остаточные напряжения, возникающие в результате кристаллизации и остывания (а также термического сжатия) слоя покрытия, формируемого потоком расплавленных частиц. В самом покрытии при этом создаются растягивающие напряжения, которые можно рассчитать по формуле Кингери [7]

, Мпа

где - модуль упругости материала покрытия, МПа; - термический коэффициент линейного расширения, К-1; - разница между начальной (температурой плавления) и конечной температурой покрытия, К.

С учетом разницы толщин покрытия (мм) и ширины круга основы (мм), в материале круга основы образуются напряжения сжатия, равные

, МПа

Таким образом, используя в качестве основы абразивный круг, нанесение на его боковые поверхности детонационного покрытия позволит скомпенсировать растягивающие окружные и радиальные напряжения при условии, что толщина покрытия удовлетворяет условию

, Мпа

где - толщина покрытия, наносимого на каждую боковую поверхность абразивного круга, мм

При этом будет обеспечена гарантированная конструктивная прочность абразивного круга. Кроме того, детонационное покрытие обеспечит упрочнение боковых поверхностей круга при шлифовании.

Технология детонационного упрочнения абразивного инструмента заключается в следующем: абразивный круг, после формования и термической обработки, размещают в манипуляторе детонационной установки; задают манипулятору перемещения по программе, обеспечивающей нанесение детонационного покрытия на боковую поверхность абразивного круга, с толщиной слоя отвечающей условию (3); переворачивают абразивный круг в манипуляторе, обеспечивая нанесение детонационного покрытия на другую боковую поверхность абразивного круга, с толщиной слоя, отвечающей условию (3).

К примеру, для упрочнения абразивного круга марки 25АF46L6V35, имеющего следующие характеристики: наружный диаметр круга 150 мм; внутренний диаметр - 32 мм; толщина - 20 мм; частота вращения круга 4500 мин-1, окружные и радиальные эксплуатационные напряжения в котором распределены согласно (рис. 1), расчет требуемой толщины покрытия (корунда) на боковых поверхностях абразивного круга показал, что максимальная толщина покрытия равна 11,8 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Изменение расчетной толщины покрытия в зависимости от радиуса абразивного круга

Учитывая, что толщина детонационного покрытия, наносимого за один выстрел, составляет около 13 мкм, то для создания гарантированных окружных и радиальных сжимающих напряжений при эксплуатации круга достаточно нанести однослойное керамическое детонационное покрытие на боковые поверхности круга.

Детонационные технологии помимо упрочнения абразивных кругов возможно использовать для их балансировки. Вопросам балансировки большое внимание уделяется не только у нас в стране но и за рубежом [8 - 10]. шлифование детонационный абразивный армирующий

Высокая (сверхзвуковая) скорость напыляемых частиц (600…1000 м/с) и возможность высокоточного позиционирования деталей во время нанесения покрытия, позволяет осуществить балансировку вращающихся абразивных инструментов с использованием в качестве балансирующего груза порций (навесок) порошкового материала, разогреваемого и разгоняемого энергией взрыва.

Для решения задачи балансировки созданием корректирующей массы путем детонационного напыления балансирующего материала, необходимо обеспечить условия совмещения пятен напыления с точкой балансировки. Такой подход требует расчета упреждения момента формирования выстрела по времени с учетом множества факторов, определяющих взаимное перемещение потока частиц и точки балансировки. При этом возможно несколько вариантов.

Первый заключается в том, что балансируемый круг вращают на рабочих частотах и определяют положение точки балансировки (полярных координат) и значение корректирующей массы. Далее ротор останавливают, позиционируя точку балансировки, совмещая ее с осью ствола. Затем совершают выстрелы, добиваясь равенства массы напыленного груза и рассчитанной корректирующей массы:

,