Современные технологии абразивной-алмазной обработки деталей из закаленных сталей

В Научно-исследовательском  центре «Новые технологии и инструменты» МГТУ «Станкин» ведутся разработки новых оригинальных технологий изготовления и применения высокоструктурных и высокопористых шлифовальных  кругов  как на  основе  традиционных  абразивных материалов (электрокорунда и карбида кремния), так и из современных суперабразивных материалов,  к которым можно отнести кубический  нитрид  бора  и микрокристаллический  корунд (золь-гель технология).

Сочетание уникальных физико-механических и химических  свойств у кубического нитрида бора (эльбора) обеспечивает ему репутацию лучшего из известных абразивных материалов. Химическая инертность эльбора к большинству конструкционных материалов способствует эффективной обработке деталей из сталей, чугунов, сплавов на основе никеля, титана и др.

Близкая  к  оптимальной комбинация  теплофизических свойств:  более  высокая  теплопроводность и меньший коэффициент линейного расширения, чем у электрокорунда и карбида кремния, при  высокой  теплоустойчивости позволяет  успешно применять  эльбор при повышенных скоростях шлифования.

Алмаз и  эльбор превосходят в 3—4 раза по твердости и износостойкости основные абразивные инструменты, поэтому их используют для абразивной обработки высокотвердых и трудношлифуемых материалов. Однако алмаз имеет невысокую термостойкость и химически активен к железу. Эти свойства ограничивают его эффективное применение при высокоскоростной обработке железоуглеродистых сплавов.

В отличие  от алмаза в эльборе сочетается высокая твердость с высокой термостойкостью и химической инертностью к железу (вплоть до температуры 1200º С), что обеспечивает интенсивный отвод тепла из зоны шлифования. Это обстоятельство снижает силы резания, температуру и предотвращает «засаливание» шлифовальных кругов. Низкие температуры в зоне резания кругами из КНБ исключают возможность образования растягивающих напряжений в поверхностном слое и наоборот, способствуют образованию напряжений сжатия, которые положительно влияют на износостойкость обрабатываемых деталей и инструмента.

Это позволяет  осуществлять процесс шлифования более  и интенсивно и при этом получать обрабатываемую поверхность изделия  без прижогов, фазовых и структурных изменений в поверхностном слое. Благодаря этому эльбор весьма эффективен для высокоскоростной абразивной обработки железоуглеродистых сплавов.

Но эльбор является хрупким материалом и поэтому его используют лишь в абразивном мелкозернистом инструменте. Однако, в результате скалывания кристаллов при шлифовании, режущие кромки постоянно обновляются и тем самым обеспечивается самозатачивание инструмента.

Инструмент  из эльбора, обладая исключительно высокой износостойкостью, длительно сохраняет высокие режущие свойства и заданный профиль без правки, поэтому эльборовый инструмент очень эффективен для обработки прецизионных фасонных поверхностей (резьбовых, винтовых, зубчатых, профильных направляющих и др.), а также малых отверстий, например, прецизионных подшипников, где износ инструмента определяет заданную геометрическую точность.

Эльборовый мелкозернистый инструмент, сохраняя высокие режущие свойства, выполняет чистовое шлифование с малым тепловыделением и обеспечивает высокий класс шероховатости поверхности. Высокая режущая способность кругов из КНБ сохраняется до полного износа.

Эти свойства эльбора успешно используются для заточки и доводки режущего инструмента из быстрорежущей стали.

Эльборовый инструмент применяют для:

• шлифования быстрорежущей и другой труднообрабатываемой стали;
• заточки и доводки режущего инструмента из быстрорежущей стали;
• полирования, суперфиниширования и доводки закаленной стали;
• внутреннего прецизионного шлифования малогабаритных отверстий в стальных деталях;
• прецизионного шлифования направляющих станин и других особо точных деталей с высокими требованиями геометрической точности;
• прецизионного резьбошлифования и зубошлифования.

Круги из  эльбора на керамических  связках обеспечивают  самые высокие показатели по производительности,  качеству  и точности  обработки деталей из  конструкционных сталей  и сплавов, чем все известные модификации корунда и карбида кремния в основном на операциях получистового и чистового шлифования.

Промышленная  практика их применения свидетельствует о том, что эльборовые круги особенно эффективны при шлифовании труднообрабатываемых материалов, поверхностей деталей  с повышенной  твердостью и профильной обработке  с большими площадями контакта круга с обрабатываемой поверхностью. Использование эльборовых  кругов,  как правило,  исключает риск  появления дефектов шлифовочного  характера – прижогов, микротрещин, сколов и др.

На режиме шлифования, принятом для высокопористых  кругов  из  электрокорунда  белого,  высокопористый  эльборовый  круг  позволяет исключить промежуточные правки и  тем  самым повысить производительность обработки конических зубчатых колес не менее, чем на 27% при сохранении высоких требований по точности и качеству обработанной детали. Также эльборовый круг обладает большим технологическим потенциалом с точки зрения возможности форсирования режима обработки.

Принципиально новым видом абразивного материала  является также зерно золь-гель корунда (SG), представляющее собой химически модифицированный электрокорунд с микрокристаллическим строением. По своим физико-механическим свойствам зерно SG находится между электрокорундом белым и кубическим нитридом бора. Размер кристалла золь-гель корунда не превышает 1 мкм, что позволяет ему работать в режиме самозатачивания путем постоянного обновления  новых  острых  режущих  кромок. 

Микрокристаллическое  строение  обеспечивает ему большую  прочность, до 3-х раз больше, чем  у электрокорунда. Эти положительные свойства  абразивного  зерна SG  позволяют  использовать  инструмент,  изготовленный  на  его  основе при шлифовании фасонных поверхностей деталей из инструментальных сталей, закаленных легированных сталей, алюминия, титана, где необходимо обеспечение высокой размерной стойкости (зубошлифование, резьбошлифование и т.д.).

По  сравнению  с кругами из  электрокорунда белого инструмент из микрокристаллического  корунда работает в режиме умеренного самозатачивания, что позволяет  сократить количество промежуточных  правок и тем самым повысить производительность операции за счет уменьшения вспомогательного времени на правку. 

Производственные  испытания показывают высокую эффективность  применения нового вида высокопористого  абразивного инструмента на основе суперабразивных материалов для обработки ответственных деталей. Отличительной особенностью такого инструмента по сравнению с высокопористыми кругами из традиционных абразивов является повышенная режущая способность и износостойкость. Внедрение новых технологий шлифования с применением такого  инструмента позволяет повысить  производительность  за  счет  сокращения времени на правку и возможного форсирования режима шлифования с обеспечением требуемого качества изготовления продукции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«Импрегнирование» шлифовальных кругов

Для  операций шлифования  труднообрабатываемых  материалов (жаропрочные стали и  сплавы, высокотвердые закаленные стали  и т. д.) резко возрастают требования, предъявляемые к эксплуатационным требованиям абразивных  инструментов.  Способы  и  технология  изготовления  стандартного абразивного инструмента  не учитывает этих возросших требований к их режущим  свойствам.  Обычные  средства  и  методы  улучшения  показателей операций шлифования (применение СОТС, изменение режимов резания, характеристик инструмента и  т. д.) не всегда достаточно эффективны.

В  настоящее  время  большое  внимание  уделяется  изысканию  пути  повышения  режущих  свойств  абразивного  инструмента. В  частности  распространены  способы,  основанные  на  введение  в  зону  резания  веществ  улучшающих обрабатываемость материалов, использование  не режущих элементов  абразивного  инструмента - связки и пор. Особый интерес  для заводской практики шлифования представляют  способы,  связанные  с использованиемn специфического свойства абразивного инструмента – пористости.

Различные  разновидности  этих  способов  объединены  понятием «импрегнирование» (пропитка), т. е. насыщение пор инструмента  специальными веществами, улучшающими  его режущие свойства.

Впервые  этот  способ  применили  на  практике  в США  в  20  годах  прошлого столетия.

В промышленности применяют пропитку абразивных инструментов серой, фенолформальдегидной  смолой (бакелизация), парафином,  стеарином. Для заполнения пор составы необходимо расплавить, обеспечить требуемый перепад давлений, что требует создания специальных устройств.

Импрегнаторы классифицируются по различным признакам: 

По виду и происхождения материала основных компонентов они могут быть  органические,  не  органические,  металлические  и  комбинированные (смешанные).  В  основном  широко  известны  органические  соединения  так же как предельные углеводороды C_n H_2n+2 , (парафины), так и не предельные C_n H_2n, C_n H_2n-2 соединения, в том числе окисленные углеводороды R(OH), карбоновые кислоты (например, стеариновая кислота), различные мыла (соли предельных кислот и олеиновой кислоты), сложные эфиры и синтетические высокомолекулярные полимеры.

По агрегатному  состоянию импрегнаторы могут быть твердые, жидкие и газообразные.

По видам  они делятся на растворы, суспензии, коллоиды, расплавы. 

Заполнение  пор инструмента может  осуществляться путем  свободного капиллярного поднятия, под давлением и в вакууме.

В  настоящее  время  импрегнаторы, (например  сера)  обычно  используются в твердом состоянии. Это требует предварительного расплавления состава, создания соответствующего перепада давления. 

Например, фирма «Fuller Herriam Co» США импрегнирование абразивных инструментов использует специальное автоматизированное оборудование.

По характеру  влияния на процессы деформирования  и стружкообразования при шлифовании пропиточные  составы  делятся на неактивные (чистые углеводы), поверхностно – активные растворы (ПАВ) в углеводородах, воде  и  т.  д.,  химически  –  активные (различные  электролиты,  кислоты  расплавы некоторых солей и т. д.)

Выбор  импрегнатора  определяется  характером  его  воздействия  на  обрабатываемый металл и абразивный круг. 

В  общем  случае  импрегнатор  может  оказывать  влияние  на  процесс шлифования по двум каналам:

1. Косвенное, через изменение физико-механических и других  свойств инструмента.

2. Непосредственное, участвуя в контактных процессах зоны резания.

Технология  пропитки шлифовального круга достаточно проста, она заключается  в  том,  что  медленно  вращающейся  круг  погружается  в  раствор (или расплав) пропиточного состава на 15-10 минут. После этого круг подвергается сушке в течение суток, а затем поступает в работу. Относительное увеличение  масса  круга  определяет  процент  насыщения  импрегнатором. Процент увеличения массы круга после пропитки зависит от плотности самого импрегнатора.

Общеизвестно,  что  эксплуатационные  свойства шлифовальных  кругов находятся  в тесной связи с их физико-механическими  свойствами. Свойства абразивных инструментов в результате пропитки существенно изменяются. В частности  объемная плотность кругов увеличивается в зависимости от марки импрегнатора от 5 до 30% . Однако слишком большое увеличение массы инструмента не желательно, т. к., это обстоятельство может привести к разрыву кругов, особенно при высокоскоростном шлифовании.

По мере возрастания степеней твердости  шлифовальных кругов сохраняется  почти  линейное  увеличение  их  плотности. Этот  факт  является  косвенным  доказательством равномерности  пропитки кругов, что важно с точки  зрения сохранения величины дисбаланса кругов. Значение дисбалансов пропитанных кругов не ухудшается, за исключением инструментов, пропитанных серой. В данном случае этот показатель ухудшается почти в три раза, что может свидетельствовать о неравномерной пропитке  круга в вакуумной установке (без применения  равномерного  вращения  кругов,  как это делалось применительно к другим составам).

Установлено что прочность инструмента после  импрегнирования (даже при  длительном  хранении  кругов) не  снижается,  что может  свидетельствовать  о отсутствии влияния пропитки на имеющееся в инструментах связи.

Вместе  с  тем,  сера  увеличивает  прочность  кругов  примерно  на  20%, придавая инструменту очевидные дополнительные цементирующие свойства упрочнения, вызываемого её кристаллизацией  при охлаждении.

Наибольшее  увеличение твердости (до пяти степеней) наблюдается у инструментов пропитанных  раствором хлорульфиноваго полиэтилена ХСПЭ в растворе толуола.

Увеличение  твердости  в  результате  импрегнирования  можно  назвать условным. Оно  объясняется  спецификой  измерения  твердости  пескоструйным прибором: при заполненных импрегнатором порах инструмента требуется большая энергия струи песка для получения лунок одной и той же глубины, что и у инструмента со свободными порами.

Известно, что неоднородность твердости, шлифовального  круга на его рабочей поверхности  может быть источником вибрации шпиндельного узла Проведенная проверка неоднородности  твердости показывает, что ее разброс для импрегнированных инструментов снижается до 10-15%.