ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО СВЕРЛА НА МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СЛУЖЕБНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ Шарин П.П.,Гоголев В.Е.,Прядезников Б.Ю.,Кузьмин С.А.,Бескрованов В.В.

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К.Аммосова


Номер: 4-3
Год: 2014
Страницы: 102-110
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

инфильтрация, алмазный инструмент, порошковая металлургия, infiltration, diamond tools, powder metallurgy

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Работа посвящена изготовлению алмазного сверла методом пропитки медью твердосплавного порошкового материала ВК8 с природным алмазным сырьем и проведения эксплуатационных испытаний на износ опытного алмазного сверла и бытового сверла фирмы Bosch. Сравнением служебных характеристик при различных режимах сверления гранита и карбида кремния показано, что интенсивность изнашивания и удельный расход алмазов опытного сверла при различных режимах сверления меньше, чем у сверла промышленного изготовления фирмы Bosch.

Текст научной статьи

Отрасли алмазной промышленности Республики Саха (Якутия) включают не только добычу, но и глубокую переработку алмазного сырья, включающего огранку бриллиантов и производство алмазных инструментов. В бриллиантовой производстве остаются не использованные остатки, которые далее перерабатываются в алмазный порошок. Наиболее рациональным способом использования алмазного порошка, является возможность его использования в инструментах. В настоящей работе излагаются перспективы использования алмазного порошка для изготовления сверл. С этой целью нами изготовлен опытный образец алмазного свела методом порошковой металлургии на металлокерамической матрице. Для оценки его служебных характеристик проведены сравнительные опытные испытания с промышленным образцом фирмы Bosch. Абразивные характеристики и износостойкость по сравнению с твердосплавными аналогами определяют технико-экономическую эффективность алмазных инструментов, проявляющуюся повышенной работоспособностью и долговечностью, превышающими ресурс обычных инструментов. Это повышает производительность инструментов, снижает процент брака и сокращает количества отходов. Поэтому для сравнительного анализа сверл необходимо технико-экономическое обоснование, учитывающее затраты на производство с использованием дорогостоящего алмазного сырья и эксплуатацию при обработке материалов. Для этого актуальным является исследование изнашивания алмазосодержащего материала с подробным выявлением расхода алмазного сырья на рабочей грани инструмента. Целью данной работы является сравнительная оценка характеристик износостойкости опытного алмазного сверла. Технология изготовления алмазного сверла Рабочая часть алмазных инструментов состоит из матрицы с распределенной в ней алмазными порошками. Для твердосплавной основы выбран износостойкий металлокерамический сплав WC-Co ¾ алмазный порошок марки А7К10. Изготовление алмазного сверла включает технологические операции: подготовка твердосплавной порошковой смеси, добавление пластификатора, послойная засыпка смеси и алмазного порошка в металлическую пресс-форму, прессование полученной смеси в брикет, напрессовывание брикета в корпус инструмента: спекание с пропиткой в электровакуумной печи. Процесс поясняет схема (рис. 1). Рис. 1. Технологическая схема изготовления алмазного сверла На токарном станке из стали марки Ст40 изготавливался цилиндрический корпус сверла с внутренним 8 мм и наружным 10 мм диаметрами (рис. 2). Рис.2. Внешний вид корпуса сверла Пропитка медью порошковой шихты Среди методов порошковой металлургии, используемых для изготовления металлических матриц правящих алмазных инструментов, метод пропитки позволяет без использования высоких давлений и специальной оснастки получить большие серии беспористых изделий сложной формы. Однако метод не свободен от недостатков и в частности требует точной дозировки пропитывающего сплава. Недостаток меди не обеспечивает равномерную пропитку по всему объёму брикета, в результате алмазы в некоторых участках матрицы плохо схватываются с твердыми частицами, что приводит к преждевременному выкрашиванию частиц алмаза или даже к производственному браку при изготовлении инструмента. С другой стороны избыток (передозировка) меди ведет к образованию медного наплыва на наружной поверхности корпуса. Это требует дополнительной токарной и шлифовальной обработки корпуса инструмента для удаления наплыва. Указанный недостаток удалось преодолеть путем использования саморегулируемой дозировки пропитывающей меди [1]. С этой целью на боковой стенке корпуса инструмента на уровне высоты брикета просверливают отверстие. Затем корпус с брикетом помещают в вакуумную печь таким образом, чтобы брикет располагался, вертикально и его нижняя поверхность пропитывалась медью снизу вверх. В этих условиях под совместным действием смачивания и поверхностного натяжения жидкий металл может подниматься по порах, служащих капиллярами, вверх. При этом с уменьшением диаметра капилляра (микроскопических пор) эффект будет выражен сильнее. Процесс изготовления алмазосодержащего материала, с саморегулируемой дозировкой меди поясняет рис. 3. Для изготовления матрицы 1 кг порошка ВК8 пластифицировали 300 г. каучука, обработанного бензином и полученную шихту просушивали. Затем из нее изготавливались навески по 1,35 г каждая и укладывали в металлическую пресс-форму. Туда же добавлялся 0,42 карата алмазного порошка марки А7К10 зернистостью 400/315. При этом каждое зерно вручную равномерно распределялось по слою и вершины частиц ориентировались острыми вершинами. После укладки первого слоя алмазов насыпается следующая навеска смеси, которая прессуется на гидравлическом прессе при нагрузке 50 тонн, далее описанные операции повторяются. После образования каждого слоя производится прессование. Таким образом формируются несколько слоёв пластифицированной смеси, в виде брикета, который впрессовывается в корпуса инструмента. На боковой стенке корпуса высверливается отверстие диаметром 1 ¾ 1,5 мм. На рис. 3 показана схема взаимного расположения отдельных частей в корпусе инструмента. Навеска меди массой 0,88 г использовалась в виде прессованных таблеток или нарезанных пластин, таким образом чтобы поверхность брикета контактировала с медью. Корпус в вертикальном положении удерживается с помощью многоразовой графитовой кассеты (лодочки), в глухое отверстие которой помещается корпус с брикетом. Рис.3. Схема спекания алмазного инструмента с ; с саморегулируемой пропитки медью 1 ¾ алмазный порошок, 2 ¾ пластифицированная шихта, 3 ¾ корпус; 4 ¾ отверстие; 5 ¾ медные таблетки, , 6 ¾ многоразовая графитовая кассета (лодочка) Вся конструкция помещается вакуумную электропечь медленно 45 ¾ 90 минут нагревается до температуры 800ºС, а затем быстро за 10 минут ¾ 1100 ¾ 1150ºС. При медленном нагреве в вакууме пластификатор разлагается и испаряется, а его пары удаляются через отверстие в корпусе. Эффективному удалению паров способствует вакуумная среда в печи. В режиме быстрого нагрева расплавленная медь по капиллярам поднимается вверх, заполняя микроскопические поры брикета. Небольшой перегрев выше температуры плавления меди (1080ºС) необходим для придания жидкому расплаву высокой текучести лучшего заполнения пор. При пропитке всего объёма брикета капиллярный эффект исчезает и поступление меди самопроизвольно прекращается. Капиллярный эффект также исчезает, когда расплавленная медь, пропитав весь объём брикета, достигает отверстие, просверленного на боковой стенке корпуса инструмента, поскольку, диаметр отверстия на несколько порядков величины больше, чем размеры микроскопических пор, имеющихся в брикете. Здесь жидкая медь только смачивает края отверстия, просверленного в металлическом корпусе, и не вытекает на наружную поверхность корпуса инструмента. Пропитка заканчивается охлаждением печи до комнатной температуры. Избыток непропитанной в брикет меди при охлаждении затвердевает на торце брикета и легко удаляется механической обработкой, предшествующей операции вскрытия алмазных зерен сверла на шлифовальном круге. Если при спекании заранее взять небольшое избыточное количество меди, то будет пропитано такое количество расплавленной меди, сколько потребуется для заполнения всех микроскопических пор в брикете. Таким образом, при спекании достигается саморегулируемая дозировка пропитываемой меди и отпадает необходимость в точном расчете навески меди для пропитки и её корректировки путём изготовления опытной партии инструментов с дополнительными расходами. Стенд для исследования служебных свойств алмазного сверла при различных режимах работы Для проведения эксплуатационных испытаний алмазного сверла был разработан и изготовлен стенд для испытаний. При изготовлении стенда был использован промышленный сверлильный станок модели ВСН, который показан на рис. 4. С целью определения силы нормального давления воспользовались электронными аналитическими весами. Была проведена тарировка стенда с измерениями значений силы и переводом из единиц массы в килограммах в килоньютоны для упрощения измерений (рис. 5): Стенд позволяет регулировать и контролировать: - частоту вращения (450; 600; 850; 1200 об./мин.); - осевую нагрузку на инструмент (0,069; 0,124; 0,27 kH); - линейный износ измерялся микрометром; - массовый износ - с помощью электронных весов; - время обработки контролировалось с помощью электронных часов с секундомером Рис. 4. Общий вид испытательного стенда на основе сверлильного станка марки ВСН а б Рис. 5. Проведение тарировки силы нормального давления: а сверлильный станок и аналитические весы; б продольная нагрузка при сверлении Исследование служебных характеристик алмазных сверл Технологические характеристики опытного алмазного сверла оценивалась по результатам эксплуатационных испытаний при сверлении материалов повышенной твердости. Кроме того, эти характеристики сравнивались с таковыми у сверла промышленного изготовления фирмы Bosch. На рис. 6 дан общий вид изготовленного алмазного сверла и сверла фирмы Bosch до испытаний. Линейные размеры и масса этих сверл приведены в таблице 1. Таблица 1 Размеры и массы опытного алмазного сверл и сверла фирмы Bosch Сверла H, мм D, мм d, мм m, гр Bosch 64,70 8,35 5,50 11,12 Опытное 52,92 10,20 6,50 12,66 Рис. 6. Опытное алмазное сверло и сверло фирмы Bosch до испытаний Для проведения эксплуатационных испытаний в качестве обрабатываемых материалов использовались гранит и карбид кремния (рис. 7). Выбор был продиктован тем, что гранит часто используется в качестве строительного материала, карбид кремния ¾ абразивного материала. Кроме того они имеют высокую твердость. а б Рис.7. Материалы для обработки сверлом: а) горная порода гранит, б) шлифовальный круг на основе карбида кремния Интенсивность изнашивания алмазного сверла вычислялась по известной формуле [2, 400; 3, 488]: I = ; (1) где h ¾ линейный износ сверла (мм); D ¾ наружный и d внутренний диаметр сверла (мм); n ¾ частота вращения (об/мин); t ¾ продолжительность сверления (сек). Путь трения в формуле (1) рассчитывался по окружности, лежащей в середине кольца поперечного сечения сверла. Удельный расход алмазной массы при сверлении на глубину в 1 метр оценивался по формуле: g=; (2) где: Нпрох, ¾ глубина просверленного отверстия за одну проходку в мм; ∆m ¾ расход алмазной массы в каратах (ct). Интенсивность изнашивания определяется тангенсом угла наклона на графике зависимости «линейный износ-путь трения» [4, 526]. Результаты эксплуатационных испытаний На изнашивание сверла влияет частота его вращения и сила, с которой он давит на обрабатываемый материал. Для выявления характера этой зависимости проведены испытания интенсивности износа опытного сверла и сверла фирмы Bosch при высверливании отверстий в граните и в шлифовальном круге на основе карбида кремния. а б Рис.8. Зависимость интенсивности изнашивания сверл от частоты вращения при обработке гранита: а ¾ опытного, б ¾ фирмы Bosch. Кривые: 1 ¾ F = 0,270 kН; 2 ¾ F = 0,124 kH; 3 ¾ F = 0,069 kH. Результаты проведенных испытаний приведены в виде графиков на рис. 8 и 9, из которых следует, что с возрастанием силы прижима F рабочей части сверла и увеличением частоты его вращения величина износа повышается. При этом у опытного сверла интенсивность изнашивании (кривые 1, 2, 3 на рис 8) существенно (на порядок) меньше чем у сверла фирмы Bosch, при обработке гранита. Эти же зависимости прослеживаются при обработке карбида кремния (кривые 1, 2, 3 на рис 9). а б Рис.9. Зависимость интенсивности изнашивания сверл от частоты вращения при обработке карбида кремния: а ¾ опытного, б ¾ фирмы Bosch. Кривые: 1 ¾ F = 0,270 kН; 2 ¾ F = 0,124 kH; 3 ¾ F = 0,069 kH. От частоты вращения зависит и удельный расход алмазного порошка в сверле. Это следует из рис.10 и 11, на которых приведены результаты зависимости опытного сверла и сверла фирмы Bosch. Для определения удельного расхода алмаза применили весовой метод определения расхода алмазов. Весовой метод предусматривает точное взвешивание сверл до и после выполнения эксплуатационных испытаний. При весовом методе исключаются погрешности, вызванные контактными измерениями. Однако не устраняется влияние веса посторонних веществ, загрязняющих рабочую поверхность сверл в результате его засаливания. Для устранения погрешности, возникающей за счет влияния веса влаги, сверла перед взвешиванием помещают в камеру термостата с t = 100° С. Взвешивание сверл производятся на электронно аналитических весах с погрешностью ±0,1 мг. О возможности завершения испытаний по определению удельного расхода алмаза сверл можно судить по стабилизации среднего кумулятивного значения их расхода. Кривая среднего кумулятивного удельного расхода или накопленного среднего удельного расхода строится путем усреднения при каждом очередном опыте всех значений удельного расхода с начала испытаний. Выравнивание кривой среднего кумулятивного удельного расхода свидетельствует о стабилизации среднего его значения и возможности завершения испытаний [5, 68]. а б Рис.10. Зависимость удельного расхода алмаза сверл от частоты вращения при обработке гранита: а ¾ опытного, б ¾ фирмы Bosch. Кривые: 1 ¾ F = 0,270 kН; 2 ¾ F = 0,124 kH; 3 ¾ F = 0,069 kH. На рисунках 10 и 11 приведены графические данные удельного расхода алмазной массы, входящей в состав опытного (а) и фирмы Bosch (б) сверл в зависимости от частоты вращения при обработке гранита (кривые 1, 2, 3 на рис. 10) и карбида кремния (кривые 1, 2, 3 на рис. 11). Удельный расход алмазной массы рассчитан по формуле (2). Как следует из графиков, с увеличением силы давления и частоты вращения удельный расход алмазов монотонно повышается. При этом, при обработке гранита (рис. 8) у опытного сверла удельный расход алмазного порошка в 2 раза меньше, чем у бошевского аналога. При обработке карбида кремния (рис. 9) это разница увеличивается и достигает значения в 6 раз. а б Рис.11. Зависимость удельного расхода алмаза сверл от частоты вращения при обработке карбида кремния: а ¾ опытного, б ¾ фирмы Bosch. Кривые: 1 ¾ F = 0,270 kН; 2 ¾ F = 0,124 kH; 3 ¾ F = 0,069 kH. По ранее разработанной технологии [Лебедев М. П., Шарин] изготовлен опытный образец алмазного сверла. Проведены эксплуатационные испытание его технологических качеств при различных рабочих режимах сверления образца гранита и абразива круга, изготовленного на основе карбида кремния. По результатам проведенных работ сделан вывод, что интенсивность изнашивания и удельный расход алмазного порошка у опытного сверла при различных режимах сверления меньше, чем у сверла промышленного изготовления фирмы Bosch. При этом, при обработке карбида кремния разница в износе выше, чем при обработке гранита. Твердость гранита по шкале по Мооса составляет 8 единиц, карбида кремния ¾ 9,2. Микротвердость гранита 8,0 ¾ 12,5 ГПа, карбида кремния от 32,4 до 35,3 ГПа. Отсюда следует, что авторское сверло эффективнее бошевского при высверливании отверстий в материалах повышенной твердости, для обработки которых мы рекомендуем его использовать. Краткий анализ свидетельствует о конкурентоспособности авторского образца алмазного сверла, но требует дополнительного подтверждения путем сравнительного исследования с изделиями аналогичного назначения других фирм. Проведенные исследования обозначили перспективу промышленного изготовления алмазных сверл в республике. Это позволит рационально распорядиться алмазными отходами бриллиантовых производств республики, создать дополнительные рабочие места на наукоемких отраслях алмазного производства.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.