Повышение эффективности алмазно-абразивной обработки

Новиков Ф.В., докт. техн. наук, профессор, Харьковский национальный экономический университет

Изготовление деталей машин с высоким уровнем качества и точности из материалов с повышенными физико-механическими свойствами неуклонно приводит к разработке и применению эффективных методов алмазно-абразивной обработки. Особенно это характерно для изделий из твердых сплавов и высокопрочных сталей, износостойких наплавочных материалов, керамики и других металлических и неметаллических материалов с высокой стапенью твердости. Основным методом обработки таких материалов является алмазное шлифование, в частности, алмазными кругами на прочных металлических связках с возможностью непрерывной или периодической электроэрозионной правки.

С целью обоснования условий максимального использования потенциальных возможностей алмазного шлифования и выбора рациональных схем обработки, разработана формализованная физико-математическая теория процессов шлифования [Новиков Ф.В. Физические и кинематические основы высокопроизводительного алмазного шлифования], позволяющая с единых позиций на качественно новом фундаментальном уровне аналитически описать механические и теплофизические закономерности съема материала и формообразования поверхностей при шлифовании, выявить и реализовать на практике наиболее производительные кинематические схемы шлифования. Расчетами установлено, что при постоянной площади поперечного сечения среза отдельным зерном круга S = const  производительность обработки Q с увеличением глубины шлифования t  изменяется по экстремальной зависимости (рис. 1 а), а скорость детали Vдет непрерывно уменьшается (рис. 1 б).

Причем доказано, что минимум производительности обработки Q достигается при условии t Hmax, где Hmax  – максимальная толщина среза отдельным зерном круга. С физической точки зрения минимум Q обусловлен существованием самой короткой по длине стружки, поскольку с увеличением и уменьшением t, начиная со значения t Hmax, длина стружки возрастает.

Необходимо отметить, что все существующие и применяемые на практике схемы многопроходного и глубинного алмазного шлифования (исключая однопроходное шлифование пазов и канавок), как правило, реализованы для случая t Hmax, поскольку глубина шлифования находится в пределах (5.30)·10–6 м. Это собственно, и  предопределяет относительно низкую производительность алмазного шлифования и нецелесообразность применения алмазных вместо обычных абразивных кругов при съеме относительно больших припусков.

Следовательно, добиться существенного повышения производительности обработки можно применением кинематических схем шлифования, реализующих условия t < Hmax  и t >Hmax , т. е. условия обработки для левой и правой ветвей зависимости Q от t  (рис. 1 а). Кинематическими схемами круглого продольного шлифования, реализующими условия обработки для случая t < Hmax, являются:

1) многопроходное шлифование с долевой продольной подачей Sд 1, весьма малой глубиной шлифования и относительно большой (соизмеримой со скоростью круга) скоростью детали;

2) глубинное шлифование с < 1 и относительно большой скоростью детали. Кинематической схемой круглого продольного шлифования, реализующей условия обработки для случая t >Hmax, является глубинное шлифование с Sд ≈ 1 и относительно небольшой скоростью детали.

На этой основе разработан процесс высокопроизводительного глубинного шлифования с небольшой скоростью детали (0.5–5 м/мин), обеспечивающий съем значительных припусков (1–2 мм и более) за один проход круга и высокое качество обработки (отсутствие прижогов и микротрещин на обрабатываемых поверхностях). Установлено, что наибольший эффект в этом случае достигается от применения алмазных прерывистых кругов, обеспечивающих существенное снижение температуры шлифования. Основной областью эффективного применения данного процесса стало шлифование различных твердосплавных изделий. При этом установлено, что искусственное создание на алмазном круге на металлической связке плосковершинных зерен позволяет уменьшить высоту микронеровностей и стабильно обеспечить шероховатость обрабатываемой поверхности на уровне 10 класса.

Для повышения эффективности электроэрозионной правки [Беззубенко Н.К. Повышение эффективности алмазного шлифования путем введения в зону обработки дополнительной энергии в форме электрических разрядов] алмазных кругов на металлических связках разработана специальная конструкция правящего электрода, который рабочий-шлифовщик может удерживать в руках в процессе правки. Это значительно упрощает процесс правки на станке, т.к. не требуется его модернизация с целью электроизоляции шпинделя и т.д. В результате решена проблема огранки природных алмазов в бриллианты на основе применения мелкозернистых алмазных кругов (зернистостью 10/7) на металлической связке формы 6А2. Обеспечивается точность обработки рабочей поверхности алмазного круга (плоскостность) в пределах 0.01 мм и относительно большое выступание алмазных зерен над уровнем связки (по сравнению с чугунными шаржированными ограночными дисками и дисками, изготовленными гальваническим методом), исключаются на обработанной поверхности (бриллианта) следы массопереноса компонентов металлической связки круга, что наблюдалось при шлифовании кругом, заправленным с помощью абразивного бруска. Решена также проблема электроэрозионной правки алмазных кругов на металлической связке формы 1А1 150х6, используемых на операциях обдирочного круглого наружного шлифования кристаллов природных алмазов для подготовки их к огранке в бриллианты, поскольку такие круги после спекания имеют достаточно большое радиальное и торцовое биение, которое недопустимо при шлифовании природных алмазов. Разработанная технология прецизионной электроэрозионной правки этих кругов обеспечивает точность обработки в пределах 0.01 мм и качественное вскрытие алмазоносного слоя, что позволило повысить качество и производительность шлифования природных алмазов.

С высокой эффективностью решена проблема электроэрозионной правки алмазных кругов на металлической связке формы 14ЕЕ1 при шлифовании изделий из хрусталя и стекла, поскольку существующие технологии  механической правки круга не обеспечивают его высокую режущую способность, что снижает производительность и качество обработки, ухудшает условия труда рабочего в связи с увеличением сил резания в условиях ручной обработки и т.д. Электроэрозионная правка производится непосредственно на рабочем месте с периодичностью не менее 15 минут рабочим-огранщиком. Используется простое правящее устройство, которое при правке удерживается в руках рабочего. С его помощью в течение 2–3 минут правки происходит качественное вскрытие алмазоносного слоя круга и полностью восстанавливается "остриё" вершины конусообразного круга. Это позволяет производить качественное и высокопроизводительное нарезание грани на изделиях. Кроме того, устраняется биение круга  уже на этапе подготовки к работе, что невозможно  при механической правке абразивным бруском. Разработанная технология электроэрозионной правки алмазного круга высокоэффективна и внедрена на ряде стекольных заводов, изготавливающих изделия из хрусталя.

Электроэрозионная правка крупногабаритных (диаметром 1000 мм и выше) сборных торцовых крупнозернистых (зернистостью 315/250 и более из алмазов АС15) алмазных кругов на металлических связках типа М2-01 (и более прочных кобальтовых связках) открыла новые возможности  высокопроизводительного и высококачественного шлифования деталей из ферритов и керамики на станках мод. 3Д756 с вращающимся столом, когда оси вращения круга и стола станка не совпадают. В процессе правки, во-первых, на этапе первоначальной подготовки круга к работе (после сборки круга) устраняются значительная разновысотность расположения алмазных элементов (до 1 мм и выше) и биение круга, обеспечивается создание на круге (профилирование) заборного конуса, что необходимо для нормального протекания процесса шлифования. Во-вторых, обеспечивается качественное вскрытие алмазоносного слоя круга и соответственно его высокая режущая способность. Для осуществления правки разработаны специальные габаритные правящие устройства и специальный генератор импульсного тока, реализующий оптимальный электрический режим правки крупнозернистого алмазного круга. Правка осуществляется в течение 20 минут, обеспечивает выступание режущих зерен над уровнем связки на значительную высоту и существенно повышает стойкость круга, уменьшает количество сколов на обработанных деталях и исключает другие дефекты обработки, что повышает процент выхода годных деталей.

Периодичность правки – один раз в 7 смен, тогда как после механической правки обеспечивалась стойкость круга всего в течение 2…4 часов работы. Это требовало частых правок круга и потребления большого количества абразивных кругов, что повышало трудоемкость обработки. При этом механической правкой не достигалось достаточное выступание алмазных зерен над уровнем связки, а это приводило к интенсивному контакту металлической связки с обрабатываемой поверхностью и переносу элементов связки на обрабатываемую поверхность, что недопустимо для деталей электронной промышленности. Благодаря снижению силовой напряженности процесса шлифования в результате применения эффективной электроэрозионной правки круга удалось увеличить радиальную подачу и производительность за счет устранения ограничений обработки в связи с невозможностью прочного крепления нетокопроводных деталей из ферритов и керамик на магнитной плите стола станка, а также в связи с недостаточной прочностью и жесткостью собственно обрабатываемых тонкостенных деталей.