Современные технологии абразивной-алмазной обработки деталей из закаленных сталей

Введение

В современных  условиях конкурентоспособность продукции  на мировом рынке определяется, прежде всего, ее качеством. Основным показателем  качества, достижение которого вызывает наибольшие  трудности  в  процессе  производства,  является  точность.  Наиболее  остро  проблема  обеспечения  точности стоит при изготовлении изделий сложной конфигурации из труднообрабатываемых материалов, таких  как твёрдые сплавы, керамика, магнитные  сплавы, ферриты, стекло и др. Одним  из наиболее эффективных методов, используемых при изготовлении таких изделий, является профильная алмазно-абразивная обработка.

Применение  профильного врезного шлифования инструментами  из алмаза, эльбора и других  сверхтвердых материалов позволяет многократно увеличить производительность обработки,  обеспечить  высокое качество  обработанной  поверхности и хорошую повторяемость размеров изделий в партии. Операции  профильного шлифования  не  требуют применения  сложного  и дорогостоящего технологического оборудования и могут быть легко интегрированы в состав технологических процессов, выполняемых на автоматизированных производственных системах.

Производительность  при обработке закаленных материалов до сего момента достигалась за счет изменения конструкции инструмента  и усовершенствования оборудования. Сейчас, новые инструментальные материалы  позволяют работать с высокими скоростями и  значениями рабочих подач.

Тенденции в развитии шлифования

В последнее  время на станкостроительных выставках  доля производителей оборудования для  абразивной обработки невелика. Ведь с развитием лезвийной обработки, появлением современных мелкодисперсных  твердых сплавов, расширением сферы  применения высокоскоростного резания  область применения шлифования сужается: термообработанные детали фрезеруют и подвергают токарной обработке с высоким качеством получаемой поверхности. Кроме того, шлифование предполагает применение вытяжных устройств, СОТС, обслуживание абразивного инструмента, компенсацию работникам вредных условий труда, что существенно удорожает обработку. По этим причинам многие потребители пытаются найти процессам шлифования замену. В то же время развитие некоторых отраслей открыло для шлифования новые объекты и области применения.

Сегодня шлифование – это не только точная абразивная обработка – но и обработка  с высокой точностью, конкурирующая  по производительности с фрезерованием, протягиванием и точением. Доказательством  этому служит увеличение использования  шлифовальной и абразивной обработки  в некоторых отраслях промышленности и, соответственно, растущие продажи  абразивных инструментов и оборудования.

Несмотря  на информацию о широком применении сухой или почти сухой обработки, предполагается, что шлифование еще  долгое время будет требовать  СОТС. Исследования в сфере жидкостей  следующего поколения продолжаются как для эмульсий на водной, так и масляной основе. Применяются и создаются новые химические соединения, в которых акцент делается на улучшение смазывающих свойств, в то время как охлаждающим характеристикам уделяется меньше внимания.

Уже давно  обрабатывающие центры проектируются  и под обработку резанием (фрезерование, сверление и точение), и под  процессы абразивного шлифования, при  этом скорости шлифования продолжают расти. Современное оборудование для  шлифования часто встраивается в  гибкие автоматизированные ячейки, это  требует создания оборудования, способного максимально эффективно работать в  автоматизированном режиме. С другой стороны, требования к минимизации  роли оператора позволяют упростить  конструкцию с точки зрения безопасности. Многие производители рассматривают  загрузку и разгрузку как критический  по времени элемент в цикле  шлифования. Эту проблему решают автоматизированные загрузчики деталей в виде специальных  устройств.

Увеличение  доли автоматизации потребовало  улучшения абразивных инструментов, прежде всего путем увеличения периода  их стойкости. Эти требования удовлетворяются  главным образом высокоточными CBN и алмазными кругами (так называемыми  суперабразивами). Популярность кругов с суперабразивным покрытием с каждым годом растет, поскольку их применение не требует системы правки и времени на цикл правки. Применение таких кругов снижает цикл обработки и за счет увеличения скорости обработки. Также разрабатываются новые инструментальные системы шлифования заусенцев прецизионного медицинского инструмента. Материал этих инструментов в основном прочная сталь и керамика.

Современные области применения шлифования

Обработка шлифованием находит большее  применение для твердых материалов, таких как вольфрам, кобальт и  керамика, где обычная обработка  затруднительна. Одно из новых направлений  применения шлифования – это обработка  деталей с высокоскоростными  газоплазменными покрытиями HVOF.

Использование HVOF становится более популярным, в  частности в аэрокосмической  отрасли, где она в ряде случаев  заменяет хромирование. Существует тип  факельной горелки, который использует локальное сгорание и удлиненную форсунку для подогрева и нанесения  порошка на гиперскоростях на покрываемый материал. Результатом является плотное, сильно прилипшее, но с высокой шероховатостью и неоднородное покрытие, требующее в качестве финишной обработки шлифования.

Одно  из направлений совершенствования  шлифовального оборудования заключается  в создании более дешевых, чем  обрабатывающие центры, машин, т.е. специализированных станков, предназначенных для специфических  деталей или групп деталей. Так, сейчас появился спрос на дешевые шлифовальные станки, например, KelVista, CNC компании Hardinge. Подобные машины оснащены СЧПУ и имеют возможность работать одним или двумя кругами. Как правило, на них выполняются операции обработки для деталей одного типа. Кроме того, разрабатываются системы комбинированной обработки, которые объединяют, например, точение со шлифованием. Точение подготавливает поверхность, а шлифование обеспечивает качественный финиш. С другой стороны, некоторые клиенты хотят расширить возможности изготовления таких станков и поэтому комплектуют их дополнительными съемными устройствами. Например, для обычного плоскошлифовального станка таким дополнительным оборудованием могут быть центры, шпиндели, делительные устройства и т.д.

Другая  тенденция – увеличение спроса на станки, способные обрабатывать большие  детали. В связи с этим растут продажи станков с длиной шлифования до 60” (1524 мм). Главные потребители этих станков – аэрокосмическая и оборонная отрасли.

По требованию “зеленых” многие автопроизводители отказались от гидравлического управления функцией усилителя руля и перешли на электропривод. Это потребовало создания моделей станков для обработки валов электрической машины.

Движение  по увеличению эффективности энергосбережения потребовало увеличения таких характеристик  конструкций, как КПД, снижение вибраций и т.п., что привело к увеличению точности их изготовления, изза чего возросла потребность в точных механических деталях, таких как сферические винты и гайки, червячные колеса и передачи. Точность необходима для снижения уровня шума и вибраций, обеспечения плавности работы механизма. Удивляет растущий интерес к шлифовальной обработке в области производства агрегатов ветряных установок. Этим агрегатам нужны высококачественные компоненты: прецизионные подшипники, валы генераторов, турбин и редукторов, зубчатые колеса. И если потребность в энергосбережении сохранится, то данная тенденция получит дальнейшее развитие.

На развитие точного шлифования влияет (хотя и  косвенно) и нефтяная промышленность. Значительное увеличение объемов в  производстве и переработке масла  и других ГСМ требует больше магистралей  и трубопроводов для его транспортировки. Такие трубы монтируются с  применением резьбовых соединений, к качеству изготовления которых  предъявляются высокие требования. Для их удовлетворения используется специальное шлифовальное оборудование для обработки резьб, например, Drake Manufacturing Services Co.

Высокий спрос в компактной электронике, такой как мобильные телефоны и Ipod, создал параллельный ажиотаж в сфере изготовления метизов малых диаметров (1 0,1 мм). Drake разработал оборудование специально для изготовления бесстружечных метчиков, которые, в свою очередь, используются для обработки отверстий под винты. Одним из таких таких станков является GS:TEM, оснащенный линейными приводами.

Шлифование широко используется и в автомобилестроении. В частности, в связи с ростом цен на газ и дизельное топливо – производители вынуждены обращать особое внимание на качество устройств впрыска топлива, в которых используются прошлифованные высокоточные детали. Причем спрос на такие детали распространяется далеко за рамки автоиндустрии – вплоть до медицинской отрасли.

Высокопористый  абразивный инструмент

Современный прогресс в технологии шлифования обусловлен в определенной степени достижениями  в  производстве  нового  абразивного  инструмента.  Инновационные разработки МГТУ «Станкин» в области технологий изготовления и применения нового абразивного инструмента повышенной структурности активно внедряются на промышленных предприятиях, позволяя повысить производительность и обеспечить требуемое  качество  изготовления  ответственных  деталей.

При шлифовании закаленных сталей и заточке инструмента  из быстрорежущих сталей обычными абразивами, в зоне обработки возникают значительные силы резания и высокие температуры, достигающие температуры плавления  обрабатываемого материала. Это  приводит к низкому качеству обрабатываемой поверхности, уменьшению стойкости  инструмента из быстрорежущих сталей. Кроме того, обычные абразивные круги  имеют низкую стойкость, что вызывает их частую правку и переналадку.

 Высокий  расход абразивных кругов, низкое  качество обработанной поверхности,  низкая производительность, запыленность  рабочей зоны – основные недостатки  применения обычных абразивных  кругов.

При сухом  шлифовании пластическая деформация удаляемого материала и работа трения абразивных зерен об обрабатываемую поверхность  служат основными источниками теплообразования. Поэтому одним из направлений  снижения температуры в зоне резания, при отсутствии искусственного охлаждения, становится использование инструмента  с минимальным количеством режущих  зерен на элементарном рабочем профиле.

Опыт  промышленного применения абразивного  инструмента с нормальной структурой на операциях сухого шлифования деталей  из закаленных сталей показывает, что  использование данного инструмента  малоэффективно. Кроме того, обработанные поверхности имеют низкое качество.

Разработанный в МГТУ «Станкин» под руководством д.т.н. В.К. Старкова принципиально новый класс высокопористого абразивного инструмента, на основе комбинации порообразователей, позволяет осуществлять бездефектную обработку различных материалов, решая технологические возможности высокопористого абразивного инструмента при исключении воздействия СОЖ на здоровье человека.

Использование высокопористого абразивного инструмента  для реализации процессов сухого шлифования является одним из перспективных  направлений развития технологий обработки  резанием.

Процесс шлифования закаленных легированных сталей без принудительного охлаждения при использовании высокопористого  инструмента закрытой структуры  обеспечивается за счет снижения термодинамической  напряженности в зоне резания  и стабильной работы кругов в режиме самозатачивания.

Поры  в таких кругах создаются различными наполнителями, выгорающими в процессе термической обработки (пластмасса, уголь, древесная мука).

Объемная  масса высокопористых кругов значительно  меньше, чем обычных, в результате чего они при тех же размерах, что и обычные, легче и требуют  меньшего расхода энергии на вращение.

Высокопористый  круг лучше охлаждается поступающим  в процессе работы воздухом. Установлено, что скорость воздуха в зоне резания  при вращении высокопористого круга  на 25-35% больше, чем при вращении обычного, что позволяет работать с большей  глубиной резания и с меньшей  опасностью прижога обрабатываемой детали. Наличие большого количества крупных пор, а также увеличенная скорость воздушной струи в процессе работы абразивного инструмента создают лучшие условия для удаления стружки и уменьшают возможность застревания ее в порах. Высокопористые круги по сравнению с обычными имеют примерно в 1,5 раза меньший удельный износ.

Обеспечение эффективной, экологически безопасной обработки закаленных легированных сталей за счет использования высокопористого  абразивного инструмента и отказа от применения смазочно-охлаждающих  жидкостей, становится актуальной научно-технической  проблемой.

В настоящее  время все большее распространение  получают технологии шлифования ответственных  деталей  с  применением  высокоструктурных  и высокопористых  шлифовальных кругов. Применение такого класса абразивного инструмента является наиболее перспективным направлением  развития  современной  промышленности. Данный  инструмент может  использоваться  для  эффективной  обработки  труднообрабатываемых  материалов  при  изготовлении  ответственных деталей машин, приборов и агрегатов с повышенными требованиями по точности и качеству изготовления.

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%.