Патент BY12985

ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.04.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 24D 18/00
B 24D 3/34
C 23C 22/05
СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА
НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ
(21) Номер заявки: a 20081057
(22) 2008.08.08
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
(72) Авторы: Смиловенко Ольга Олеговна; Полуян Александр Иванович;
Жорник Виктор Иванович; Прокопович Николай Николаевич; Шматов Александр Анатольевич (BY)
BY 12985 C1 2010.04.30
BY (11) 12985
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
(56) BY 10783 C1, 2007.
СМИЛОВЕНКО О.О. и др. // Вестник
Полоцкого государственного университета. Прикладные науки. - 2005. № 12. - С. 102-106.
RU 2023027 C1, 1994.
RU 2066705 C1, 1996.
SU 1366378 A1, 1988.
(57)
Способ упрочнения алмазного инструмента на металлической связке, при котором
подготавливают поверхность инструмента, обрабатывают его при температуре кипения в
водном рабочем растворе, содержащем тиомочевину, оксиды титана и молибдена и порошок ультрадисперсного алмаза, и осуществляют нагрев инструмента, отличающийся тем,
что в процессе эксплуатации упрочнение инструмента многократно повторяют при увеличении момента резания не менее чем на 15 % от номинального и износе алмазного слоя до
значения интегрального показателя R u ≤ 0,08, определяемого из выражения:
R u = Σ Si / S,
где Si - площадь износа одного алмазного зерна,
S - площадь алмазного слоя, на которой ведут оценку состояния алмазного слоя,
путем обработки в указанном рабочем растворе и последующего нагрева, при этом время
обработки и время нагрева, составляющее соответственно 40-50 минут и 50-60 минут, при
каждом последующем упрочнении монотонно уменьшают на 10-20 %.
Предлагаемое изобретение относится к химической поверхностной обработке металлических материалов и может быть использовано для упрочнения режущего алмазного
инструмента на металлической связке.
Имеется способ повышения стойкости инструмента поверхностной обработкой (а.с.
SU 1785280, МПК C 21D 9/22, опубл. 25.04.90), отличающийся тем, что включает обезжиривание поверхности, предварительный многократный нагрев инструмента и обработку
путем погружения в раствор, содержащий 20-100 г/л оксида вольфрама. Недостатками
этого способа являются многоступенчатость, высокие затраты на многократный нагрев
инструмента, а также слабая адгезия антифрикционной пленки к основному металлу.
BY 12985 C1 2010.04.30
Наиболее близким к предлагаемому является способ упрочнения алмазного инструмента на металлической связке (патент РБ 10783), при котором подготавливают поверхность инструмента, обрабатывают его при температуре кипения в рабочем растворе,
содержащем тиомочевину, оксиды титана и молибдена и порошок ультрадисперсного алмаза, предварительно обработанный ультразвуком, и осуществляют нагрев упрочняемого
инструмента.
Следует отметить, что после такого однократного упрочнения при работе инструмента
происходит постепенное истирание антифрикционной пленки и условия резания становятся достаточно тяжелыми. Таким образом, упомянутым способом упрочнения стойкость
инструмента повышается недостаточно.
Такую обработку инструмента можно назвать предварительной или предэксплуатационной. Анализ основных изменений структуры и свойств поверхностного слоя, происходящих в период эксплуатации инструмента, показал, что критические изменения
структурно-напряженного состояния предшествуют началу катастрофического износа.
Таким образом, возникает задача устранения подобных изменений еще до начала ускоренного износа.
Задачей настоящего изобретения является повышение стойкости алмазного инструмента путем увеличения сил алмазоудержания и повышения антифрикционных свойств
связки.
Поставленная задача решается в способе упрочнения алмазного инструмента на металлической связке, при котором подготавливают поверхность инструмента, обрабатывают его при температуре кипения в водном рабочем растворе, содержащем тиомочевину,
оксиды титана и молибдена и порошок ультрадисперсного алмаза, и осуществляют нагрев
инструмента, отличающийся тем, что в процессе эксплуатации инструмент повторно упрочняют при увеличении момента резания не менее чем на 15 % от номинального и износе
алмазного слоя до значения интегрального показателя Ru ≤ 0,08, определяемого из выражения:
Ru = ΣSi/S,
где Si - площадь износа одного алмазного зерна,
S - площадь алмазного слоя, на которой ведут оценку состояния алмазного слоя, путем
его обработки в рабочем растворе в течение 40-50 минут и нагрева в течение 50-60 минут,
причем время обработки инструмента в растворе и время его нагрева при каждом последующем упрочнении монотонно уменьшают на 10-20 %.
В результате низкотемпературной поверхностной обработки (HXO) в водном растворе
металло- и неметаллосодержащих компонентов и последующего нагрева на воздухе на
поверхности инструмента образуется пленка толщиной 4-5 мкм, обладающая антифрикционными свойствами. Образовавшаяся пленка снижает трение между связкой алмазного
инструмента, обрабатываемой деталью и стружкой, что ведет к снижению момента резания и повышению износостойкости инструмента в целом. Частичная диффузия металлосодержащих компонентов в поверхность связки и термическая обработка способствуют
перераспределению напряжений в алмазном слое, возникающих при изготовлении инструмента. Возникающие в связке напряжения сжатия повышают силы алмазоудержания, а
снижение напряжений в алмазных зернах уменьшает вероятность их разрушения в процессе работы инструмента. Создание напряжений сжатия в связке упрочненного алмазного инструмента является положительным фактором для любого алмазного инструмента,
работающего периферией алмазного слоя, так как компенсирует напряжения растяжения,
возникающие в связке при его эксплуатации.
Упрочнение инструмента в процессе эксплуатации приводит к снижению остаточных
напряжений в металлической связке и восстановлению антифрикционных характеристик
поверхностного слоя. Таким образом, введение операции упрочнения может рассматри-
2
BY 12985 C1 2010.04.30
ваться как средство воздействия на структуру и свойства поверхностного слоя, ответственного за износостойкость инструмента.
Упрочнение производится периодически в течение всего срока работы инструмента.
Важно точно установить момент времени, когда наступает износ пленочного покрытия,
но состояние алмазного слоя является удовлетворительным и годным к продолжению
работы.
Процесс упрочнения алмазного инструмента позволяет создать на поверхности связки
модифицированный слой. Благодаря тому что разрушение микроконтактов при трении
модифицированных поверхностей происходит легко, не получая распространения и не переходя в задир, достигается снижение интенсивности износа. Сравнительно малая прочность сцепления антифрикционной пленки со связкой предотвращает более значительный
износ прилегающей поверхности. Свойства локализации микрозадиров и предотвращения
их распространения на прилегающие участки определяют и повышение износостойкости
модифицированных поверхностей в условиях установившегося режима трения, когда коэффициент трения меньше критического. Таким образом, снижается коэффициент трения
между связкой и обрабатываемым материалом, следовательно, снижается крутящий момент (при обработке цилиндрическим или дисковым инструментом). Так как пленочное
упрочняющее покрытие обладает антифрикционными свойствами, то при его истирании и
затуплении части алмазных зерен момент резания будет изменяться в сторону увеличения.
Эффект изменения величины момента резания при истирании антифрикционного покрытия предложено использовать для определения готовности алмазного инструмента к
межэксплуатационной обработке.
Для более точного определения работоспособности алмазного инструмента, израсходовавшего часть ресурса, предложен интегральный показатель режущей способности алмазного слоя. Он определяется как суммарная площадь затупления всех алмазных зерен
на ограниченной S части поверхности алмазного слоя и рассчитывается по формуле
Ru = ΣSi/S,
где Si - площадь износа каждого зерна, имеющего плоскую площадку затупления. Число
зерен i = 1, 2,..., n. Если Ru > 0,08, повторное упрочнение становится экономически невыгодным и инструмент продолжают эксплуатировать в прежнем состоянии до полной выработки ресурса.
При определении количества зерен, приходящихся на единицу поверхности, форма
алмазных порошков была принята близкой к форме шара. Если содержание зерен различных фракций задать в процентных отношениях по количествам зерен, то Ni = γI N/100.
Здесь γI - содержание фракций, %, по ГОСТ 2906-80; N - общее количество алмазных зерен. Приняв, что размер алмазного зерна (диаметр) 2r, объем зерна i-той фракции νi определяется ν i = 4 / 3πri3 , будем считать, что фракционный состав пронумерован в порядке
возрастания размеров зерен. Тогда, если толщина срезаемого слоя удовлетворяет соотношению 0 < h < H - 2r2, то срезаны будут зерна первой, самой крупной фракции. Площадь
сечения единичного зерна определяем по формуле S1 (h) = πr2{h) = π(2r1h - h2), а общую
площадь сечения - из выражения S (h) = n1π(2r1h - h2).
При дальнейшем увеличении толщины срезаемого слоя при условии H - 2r2 < h < H 2r3 срезаны будут также зерна второй фракции. Площадь сечения единичного зерна второй фракции S2 (h) = π(h - H + 2r2)(Н - h).
С учетом этого суммарная площадь сечения алмазного слоя S (h) = n1 π[(H h)h + h1(2r2 - H + h)(H - h)]. По значению индукции можно показать, что для H 2ri < h < H - 2ri+1, i = 1, 2, 3,..., n-1, площадь сечения алмазных зерен определится по формуле S (h) = π(Н - h)Σ ni(2ri - H + h). Расчеты проводились для фракционного состава, принятого в соответствии с ГОСТ 9206-80, состоящего из трех фракций: крупной, основной и
мелкой. Таким образом, n = 3. Расчеты осуществлялись для зернистости 14/10... 160/125. В
3
BY 12985 C1 2010.04.30
качестве условной единицы площади была принята площадка 1000 мм2. Удельная масса
алмазов принята равной 3,48-104 Н/м3. Размеры суммарных площадей изношенных зерен
при износе алмазного зерна до 1/2 высоты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Зернистость
Наибольший суммарный размер Суммарный размер площадок
площадок износа, мм2
износа перед упрочнением, мм2
14/10
112,11
13,70
28/20
110,79
21,52
40/28
110,17
26,17
60/40
108,02
34,75
100/80
107,65
43,26
125/100
105,34
51,08
160/125
102,23
54,95
Таким образом, подтверждено значение Ru, которое составляет от 0,01 до 0,08 для всех
зернистостей, и инструмент подлежит межэксплуатационной обработке.
Пример осуществления способа
Для проведения сравнительных испытаний были подготовлены две партии алмазных
шлифовальных головок диаметром 8,0 мм (зернистость алмазного порошка 125/100), изготовленных методом гальваностегии. Из алмазографитовой шихты готовили суспензию
на основе дистиллированной воды, затем ее обрабатывали ультразвуком путем погружения стержневого излучателя в суспензию. Режимы ультразвуковой обработки: сила тока 0,3 А; частота - 44,0 КГц; продолжительность - 7 мин. Для приготовления водного раствора рабочей ванны для упрочнения инструмента использовались растворы оксидов молибдена и титана, водная суспензия алмазографитовой шихты УДАГ-СП, предварительно
обработанная ультразвуком на ультразвуковой лабораторной установке УЗДН - 1У4.2. Рабочий раствор готовили путем смешивания компонентов в воде с добавлением тиомочевины в качестве поверхностно-активного вещества.
Партию алмазных шлифовальных головок, предназначенную для упрочнения, обезжиривали в спирте и сушили на воздухе. Затем головки закрепили в специальном приспособлении и погрузили в рабочий раствор при температуре 90-96 °С, и выдерживали
45 минут при данной температуре (первое упрочнение). Концентрации металлосодержащих компонентов в рабочем растворе составляли 50 г/л оксида титана и 15 г/л оксида молибдена. Затем головки промыли в горячей и холодной воде и поместили в сушильный
шкаф, где выдерживали при температуре 130 °С в течение 60 минут.
На металлической связке упрочненного алмазного инструмента практически вся поверхность связки между алмазными зернами покрыта пленкой. Имеется наползание упрочняющей пленки на алмазные зерна на граничных участках "алмаз-связка".
Шлифовальные головки испытывали на удельную стойкость при обработке твердого
сплава в соответствии с методикой, регламентируемой ГОСТ 17122-85. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что у алмазной шлифовальной
головки, упрочненной предлагаемым методом и отработавшей 120 минут на обработке
твердого сплава BK15, на никелевой связке и на самих алмазных зернах сохранились
только небольшие участки упрочняющей пленки, также имеются изношенные (с различной формой износа) алмазные зерна, хотя инструмент остался работоспособным, износа
связки не наблюдается и режущих кромок еще достаточно для работы. Практически не
наблюдается вырывов алмазных зерен, отмечены как наличие пленки на металлической
связке, так и остаточные налипания на кристаллах алмазов, которые не участвовали в
процессе резания (кромка зерна ниже других и не достигала поверхности обрабатываемого образца твердого сплава). Выявлено также определенное число затупившихся алмазных
зерен с плоской площадкой износа. Целесообразно проводить повторное межэксплуата4
BY 12985 C1 2010.04.30
ционное упрочнение алмазного инструмента при наличии в алмазном слое достаточного
количества зерен с работоспособными режущими кромками.
Момент резания при шлифовании алмазными головками измеряли при помощи тензометрической балки, которую деформирует флажок, жестко закрепленный на корпусе, в
котором находится образец твердого сплава.
Следует отметить, что условно весь процесс шлифования можно разделить на три зоны. В первой момент резания составляет 0,5...4,0 Нм, и его увеличение происходит плавно. Во второй угол наклона кривой по отношению к оси абсцисс увеличивается. Это
объясняется интенсификацией процесса затупления зерен и истиранием антифрикционного покрытия, осажденного на связке инструмента в процессе упрочнения. Затем, в третьей
зоне, момент резания изменяется мало, однако ухудшается качество обработанной поверхности. Таким образом, межэксплуатационное упрочнение инструмента с наибольшей
эффективностью может быть проведено во второй зоне. Эта рекомендация справедлива и
для шлифовальных головок других диаметров, изготовленных с применением порошков
других марок и зернистости. Выявлена общая тенденция к увеличению момента резания
приблизительно на 15-20 % от номинала.
Состояние алмазного слоя периодически, при повышении момента резания на 1520 %, контролировали визуальным методом с использованием лабораторного микроскопа
марки МПС-10. Установлено, что при такой наработке количество неработоспосбных алмазных зерен не превышает 10-15 %.
Для шлифовальной головки диаметром 8 мм с зернистостью 125/100, если значение Ru
составляет от 0,01 до 0,08, инструмент подлежит межэксплуатационной обработке.
Упрочнение повторяли при увеличении момента резания:
на 17 %, площадка износа алмазных зерен 17,86 мм2, выдержка в рабочем растворе 35
минут, выдержка в сушильном шкафу 45 минут;
на 19 %, площадка износа алмазных зерен 53,97 мм2, выдержка в рабочем растворе 25
минут, выдержка в сушильном шкафу 30 минут;
на 15 %, площадка износа алмазных зерен 77,12 мм2, выдержка в рабочем растворе 25
минут, выдержка в сушильном шкафу 30 минут;
на 20 %, площадка износа алмазных зерен 98,41 мм2, головка не подлежит упрочнению (Ru > 0,08).
Удельный расход алмаза на упрочненных и "чистых" шлифовальных головках определяли взвешиванием, относительную стойкость - расчетом. Результаты лабораторных испытаний головок алмазных шлифовальных, упрочненных предлагаемым способом и
известным, приведены в табл. 2.
Представленные в таблице данные позволяют сделать вывод о том, что в результате
использования предложенного способа упрочнения инструмента повышаются антифрикционные свойства поверхностного слоя и силы алмазоудержания, что позволяет увеличить стойкость инструмента в 1,2-1,4 раза.
5
BY 12985 C1 2010.04.30
Таблица 2
Результаты испытаний головок шлифовальных
Температура
Количество Удельный Относитель№
Активная среда для обподогрева иннагревов и расход ал- ная стойкость
опыта
работки
струмента, °С
погружений маза, мг/см3 инструмента
Известный (прототип)
1
130
Рабочий раствор +
1
4,0
100 %
нагрев в су50 г/л оксида титана,
шильном шка- 15 г/л оксида молибдефу, после
на, 7 г/л тиомечевины,
обработки в ра- 0,03 г/л алмазографитобочем растворе
вой шихты
Предлагаемый
2
130
Рабочий раствор +
4
3,45
114 %
нагрев в су50 г/л оксида титана,
3
3,07
123 %
шильном шка- 15 г/л оксида молибде4
3,13
121 %
фу, после
на, 7 г/л тиомечевины,
обработки в ра- 0,03 г/л алмазографитобочем растворе
вой шихты
Применение многократной периодической обработки методом HXO в течение срока
эксплуатации алмазного инструмента позволяет повысить его ресурс на 20-80 %.
Источники информации:
1. SU 1785280 A1, 1990.
2. BY 10783 C1, 2007.
3. Бельский С.E., Тофпенец Р.Л. Структурные факторы эксплуатационной стойкости
режущего инструмента / Под ред. С.А. Астапчика. - Мн.: Наука и техника, 1984. - 128 с.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6