Марки алмазных порошков низкопрочных и область их применения

АС4 (АСР) – характеристика синтетических алмазов: зерна представлены агрегатами и сростками. Рекомендуемая область применения – изготовление инструментов на органической связке для обработки твердых сплавов, керамики, стекла и заточке твердосплавного инструмента. ДСТУ 3292-95.

АС6 (АСВ) – характеристика синтетических алмазов: зерна представлены отдельными кристаллами с развитой поверхностью, агрегатами и сростками. Рекомендуемая область применения – изготовление инструмента на металлических и органических связках, работающих при повышенных нагрузках, применяемых при обработке твердых сплавов, стекла и др.хрупких материалов, заточке твердосплавного инструмента. ДСТУ 3292-95.

АС15 (АСК) – зерна представлены агрегатами и сростками (не более 60%), а также удлиненными кристаллами с коэффициентом формы зерен не более 1,6. Область применения – изготовление инструмента на металлических и органических связках, работающих в тяжелых условиях, при обработке твердого сплава, шлифовании, чернового хонингования, правки шлифовальных кругов, фасонной обработки стекла, кварца.

Алмазное хонингование

Алмазное хонингование является прогрессивным процессом современного крупносерийного и массового производства. Высокая размерная стойкость алмазных брусков, значительное снижение температур и усилий резания по сравнению с обычными абразивным хонингованием, позволили автоматизировать процессы обработки, применить активный контроль, повысить точность и производительность обработки, а самое главное – увеличить долговечность ответственных деталей машин и механизмов. Алмазное хонингование применяется при обработке блоков цилиндров, гильз и втулок автомобильных, тракторных, мотоциклетных и судовых двигателей, цилиндров компрессоров, насосов, деталей станков, холодильников, шатунов, шестерен и др.


При хонинговании совмещаются вращательное и возвратно-поступательное движения инструмента, благодаря чему создается характерная сетка, как следствие перемещения алмазных зерен по винтовой линии. Совмещение движений дает возможность эффективно исправлять отклонения от правильной геометрической формы отверстий (конусность, овальность, корсетность, бочкообразность). К преимуществам процесса следует отнести также и то, что хонингование увеличивает срок службы трущихся пар по сравнению с другими методами окончательной обработки. Стойкость хонингованных поверхностей на 25% выше, чем обработанных другими методами.

При хонинговании инструмент и деталь самоустанавливаются, что обеспечивает высокую точность обрабатываемых отверстий. При этом также отпадает необходимость правки инструмента, а припуски могут быть сведены до минимума.

1. Выбор характеристик алмазных хонинговальных брусков.

Характеристики алмазных хонинговальных брусков выбирают в зависимости от вида обрабатываемого материала, требований к точности и чистоте обработки, припуска на обработку, а также с учетом производительности и себестоимости процесса хонингования.

Бруски, как правило, состоят из корпуса и закрепленного на нем алмазоносного слоя. Основными характеристиками АБХ являются:

- размеры бруска (длина, ширина, толщина);

- марка связки (М- металлическая, В- органическая)

- марка и зернистость алмаза (АС – алмаз синтетический и цифра- прочность)

- концентрация алмаза в алмазоносном слое (%)

Например: АБХ 125х12х5 АС32 160/125 100% М2-01

Как правило, перед хонингованием необходимо произвести подготовку (шлифовку) поверхности брусков в сборе с хонинговальной головкой, устранив криволинейность (прогиб) поверхности алмазного слоя брусков. Отсутствие стрелы прогиба бруска по длине значительно сокращает время на подготовку хонинговальной головки, позволяя снизить затраты на вспомогательные операции хонингования.

2. Свойства связок рабочего слоя АБХ

Основные требования к связкам для хонингования следующие: надежное закрепление алмазного зерна, ограничения максимальной силы резания на зерне вследствие микровыкрашивания, образования пространства для размещения и выхода стружки; минимальное внешнее трение; хорошая теплопроводность.

Выбор марки связки зависит от обрабатываемого материала, требований к качеству обработанной поверхности, производительности процесса хонингования, а также условий хонингования, применение СОЖ (охладительная жидкость).

Связка М2-01 – хонингование чугунов, сталей, твердых сплавов;

Связка М5-01 – хонингование закаленных легированных сталей;

Связка М5-04 – хонингование сталей и чугунов;

Связка М5-05 - хонингование изделий из легированных сталей;

Связка М5-06 – хонингование серых и легированных чугунов;

В2-04 – Чистовое хонингование деталей дизельных двигателей.

3. Концентрация и зернистость алмазного порошка.

В зависимости от вида хонингования, обрабатываемого материала, требований к качеству обрабатываемой поверхности и припуска на обработку выбирают концентрацию, марку алмазного порошка и зернистость порошка.

Чем выше размер алмазного порошка (зернистость), тем выше параметры шероховатости и производительность. При съеме больших припусков применяется алмазный порошок крупной фракции и меньшей концентрации, а для получения высокой чистоты обрабатываемой поверхности – применяется алмазный порошок мелкой фракции и большой концентрации.

4. Выбор режимов хонингования.

Назначение режимов хонингования состоит в выборе давления, с которым бруски прижимаются к обрабатываемой детали (Р,кгс/см²), скорости возвратно-поступательного перемещения хона вдоль оси шпинделя (V1, м/мин) и окружной скорости хона (V, м/мин).

Скорость возвратно-поступательного движения хонинговальной головки на предварительных операциях для обеспечения наибольшей производительности выбирают максимально возможной. На чистовых операциях хонингования скорость хона V1 должна быть на 20-50% меньше, чем при предварительных. Скорость вращения хонинговальной головки V выбирают исходя из соотношения V/V1=2-4 при хонинговании стали и V/V1=3-5 при хонинговании чугуна.

Производительность хонингования с увеличением скорости V1 повышается. С увеличением окружной скорости хона V производительность вначале повышается, а затем, при достижении некоторого критического значения, снижается. Производительность хонингования интенсивно растет с увеличением удельного давления брусков на обрабатываемую поверхность. Однако для каждой характеристики алмазных брусков существует предельное давление, выше которого происходит засаливание брусков. На предварительных операциях удельное давление находится в пределах Р=10-14 кгс/см². Для снижения шероховатости поверхности следует принимать меньшие удельные давления брусков 3-8 кгс/см².

5. Охлаждение

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) позволяет интенсифицировать процесс хонингования, повысить стойкость алмазных брусков, а также повысить качество обрабатываемой поверхности.

При алмазном хонинговании требуется интенсивное охлаждение в количестве до 20 л/мин, в зависимости от размеров обрабатываемого отверстия.

Основными функциями СОЖ при хонинговании являются:

- тепловая (охлаждение);

- уменьшение трения (смазывание);

- удаление продуктов обработки из рабочей зоны (смывание).

В большинстве случаев лучших результатов при хонинговании стали и чугуна достигают при применении в качестве СОЖ керосина с добавлением масел, скипидара, олеиновой кислоты. Однако керосин пожароопасен, его в настоящее время заменяют на СОЖ, содержащий поверхностно-активные вещества и ингибиторы коррозии, такие как:

- слабоконцентрированные (1-3%) водные растворы солей неорганических кислот (кальцинированной соды, хлористого натрия, хлористого кальция, тринатрийфосфата, буры, нитрата натрия) и органических поверхностно-активных веществ ПАВ (триэтаноламина, этиленгликоля) с добавками ингибиторов коррозии (нитрата натрия).

Рекомендуется СОЖ подводить с двух сторон (снизу и сверху). Это особенно важно при обработке отверстий малых диаметров, где зазор между корпусом хонинговальной головки и стенками отверстий невелик.

При недостаточном охлаждении, увеличивается трение и происходит нагрев детали и головки, а также засаливании алмазных брусков, что отрицательно сказывается на режущей способности.

6. Эксплуатация алмазных хонинговальных брусков.

Технологическую подготовку алмазного хонингования начинают с точной размерной установки и крепления алмазных брусков на стальные державки (колодки). Вследствие высокой износостойкости металлических связок бруски очень медленно прирабатываются в процессе хонингования. Во время их приработки на деталях резко снижается точность хонингования и производительность обработки. Поэтому при установке и креплении брусков очень важно предотвратить разновысотность брусков в одном комплекте.

Необходимо, чтобы их режущие поверхности при сборке в хонинговальной головке располагались на одной окружности. Для этого хонинговальную головку в сборе шлифуют на круглошлифовальном станке абразивным кругом. Подготовленными к работе считают такие бруски, поверхность контакта с обрабатываемым отверстием которых составляет не меньше 60% всей номинальной их режущей поверхности и обеспечивается полный контакт по всей длине. Алмазные бруски к металлическим колодкам крепят, как правило, путем припайки (припой ПОС61 или ПОС40). В отдельных случаях их приклеивают к колодкам клеем (эпоксидный клей).

Хонинговальные бруски подвижно закрепляются в пазах хонинговальной головки, в результате чего инструмент и деталь самоустанавливаются, что обеспечивает высокую точность обрабатываемых отверстий. При этом отпадает необходимость правки инструмента, а припуски могут быть сведены до минимума. Однако в некоторых случаях режущая способность брусков с течением временит в результате засаливания (налипания продуктов обработки) резко снижается, и происходит задирание обрабатываемой поверхности. Чтобы быстро восстановить ее, рекомендуется периодически изменять направление вращения головки (реверсирование).

Окончательно алмазные бруски по радиусу прирабатывают на хонинговальном станке по отверстию хонингуемой заготовки.

Об алмазных шлифовальных кругах

Интенсификация инструментального производства на основе развития эффективных средств производства (инструменты, оборудование) и высокопроизводительных технологий механообработки – ключевая задача машиностроительного комплекса и других базовых отраслей промышленности. Применение сверхтвердых материалов рассматривается в инструментальном производстве как приоритетное направление увеличения производительности и повышения надежности режущих инструментов и деталей машин, включая шлифовальный круг. Использование абразивных инструментов из СТМ в технологиях шлифования основных инструментальных материалов – твердых сплавов, инструментальных сталей, режущей керамики, безвольфрамовых твердых сплавов, материалов на основе карбида бора и др., позволяет решать проблему рационального использования данных материалов, представляет важнейший резерв увеличения производительности обработки, в т.ч. шлифовальными кругами, предопределяет экономичность производственных процессов и гарантирует высокое качество обработки инструментов и деталей машин.


В этой связи актуальной задачей современной технологической науки является развитие фундаментальных и прикладных исследований в области машиностроения, механики и процессов управления по установлению механических, физико-химических и других закономерностей с целью их использования в производственных процессах с использованием шлифовальных кругов. Современная концепция комплексного прогноза проблем машиностроения в области обработки материалов предопределяет широкое применение методов вибрационного и волнового воздействия, совмещение механического воздействия с химическими, электрическими и другими процессами обработки современных материалов, где немаловажная роль отведена качеству такой детали, как шлифовальный круг. Потенциал научных исследований по совершенствованию и развитию процессов алмазной обработки материалов резанием во всем мире неуклонно возрастает. Это объясняется тем, что создание синтетических алмазов и кубического нитрида бора относится к числу наиболее выдающихся достижений XX века. Применение этих суперабразивов в различных отраслях производства ежегодно возрастает в мире на 5–10%. На их основе изготавливаются промышленные шлифовальные круги.

О большом внимании индустриально развитых стран к сверхтвердым материалам, как наиболее прогрессивным инструментальным, а в ряде случаев и конструкционным материалам, свидетельствует тот факт, что в настоящее время ведущие промышленно развитые страны (США, Япония, Германия, Англия, Италия, Франция) используют до 80% всех добываемых природных и производимых синтетических алмазов. При этом одной из основных областей применения СТМ является машиностроение, металло- и камнеобработка. В этих отраслях используется около 70% общего объема производства СТМ. В настоящее время в промышленности Украины применяется около 30 марок СТМ и более 4500 типоразмеров инструментов. Шлифовальные круги занимают одно из видных мест в промышленном производстве страны.

Как техническая продукция, сверхтвердые материалы и инструменты на их основе относятся к наукоемкой продукции, показателем которой, как известно, является стоимость 1 кг массы этой продукции. Так, стоимость 1 кг сверхтвердых абразивных материалов составляет порядка 1–5 тыс. долларов США, стоимость 1 кг инструментов из СТМ – 0,1–0,5 тыс. долларов США. По современным рыночным определениям шлифовальные круги и камнеобрабатывающий инструмент следует считать относящейся к средне- или высокотехнологичным отраслям промышленной продукции.

АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО И ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ШЛИФОВАНИЯ

В современном инструментальном производстве применение сверхтвердых абразивных материалов (СТМ) - синтетического алмаза и кубического нитрида бора (КНБ) - рассматривается как приоритетное направление увеличения производительности и повышения надежности режущих инструментов. С наибольшей эффективностью инструменты из СТМ применяются в технологических процессах алмазно-абразивной обработки, для которых важна их гарантированная стойкость, высокие режущие свойства и производительность. Однако, необходимая в современных условиях эффективность обработки вольфрамовых сплавов, инструментальных сталей и керамики, обеспечивается при производительности шлифования 1000-3000 мм/мин; в то время как станочные системы и промышленные технологии механообработки могут обеспечить производительность 3000-5000 мм3/мин, а в недалеком будущем — 10 000 мм3/мин. Для интенсификации процессов шлифования необходимо создание нового поколения шлифовальных кругов из СТМ и прогрессивных технологических систем.


При обработке твердосплавных и стальных инструментов, используемых в металло и деревообработке, ряде других направлений механообработки, применяются различные технологические процессы шлифования. В результате обширных исследований предложены критерии технологического управления параметрами качества обработанных поверхностей и выбора оптимальных условий работы инструментов из СТМ. Установлено, что одним из наиболее эффективных процессов обработки является алмазное шлифование с применением СОТС или периодическим вводом в зону резания электрического тока низкого напряжения.

Прогнозная оценка современного уровня применения шлифовальных кругов из СТМ позволяет обосновать направления интенсификации процессов шлифования инструментальных материалов. При этом особое значение имеет применение методов вибрационного и волнового воздействия, совмещение механического воздействия с химическими, электрическими и другими процессами обработки, т.е. интенсивное использование совмещенных процессов физико-механической обработки.

1.1. Концепция интенсификации процессов шлифования кругами из СТМ

Интенсификация процессов шлифования - извечная проблема механообработки и, в особенности, алмазно-абразивной обработки, которая лежит в основе создания высоких технологий обработки режущих инструментов и деталей машин.

Проведенный нами анализ патентно-информационных материалов [1, 2, 3] показывает, что сверхтвердые абразивные материалы используются для чистовых и доводочных (финишных) операций обработки деталей машин и инструментов, где требуется обеспечить гарантированное качество, стойкость и надежность, стабильные режущие свойства инструментов из СТМ. Достигнутый уровень производительности не превышает 1000-2000 мм3/мин. В табл. 1.1 и 1.2 приведены данные, характеризующие современный уровень шлифовальных кругов из СТМ и их соответствие прогнозным значениям.
           Патентно-информационные материалы зарубежных стран свидетельствуют об актуальности применения СТМ в инструментальном и основном производствах. В них приводятся характеристики применяемых инструментов из СТМ и описание технологического оборудования. Как правило, зарубежные фирмы, занимающиеся созданием технологического оборудования, стремятся непосредственно в технологическом оборудовании комплексно реализовать новейшие достижения в области высоких технологий шлифования, применять современные инструменты из СТМ, использовать эффективные СОТС, рационально использовать автоматизацию, роботизацию и программное управление технологическими процессами обработки. Такая тенденция промышленной реализации технологий шлифования инструментов и деталей посредством создания специализированного автоматизированного оборудования наглядно демонстрируется на международных специализированных выставках, посвященных инструментам из суперабразивов

            В Украине разработаны технологические процессы шлифования и заточки кругами из СТМ твердосплавного и стального инструмента, используемого в машиностроении, металло- и деревообработке, других отраслях промышленности [4, 5]. Определена возможность технологического управления параметрами качества обработанных поверхностей и выбора оптимальных условий работы инструментов из СТМ. При этом можно констатировать, что одним из наиболее эффективных процессов обработки труднообрабатываемых материалов является алмазное шлифование с применением СОТС или периодическим вводом в зону резания электрического тока низкого напряжения для правки и активации режущей поверхности кругов из СТМ.

Проведенные информационные исследования современных абразивных инструментов из сверхтвердых материалов и технологий их шлифования, анализ тенденций современного развития высоких технологий в машиностроении как вектора развития технологического маркетинга, менеджмента качества и сертификации, а также прогноз научно-технического потенциала машиностроения Украины показывают, что проблема обработки таких труднообрабатываемых материалов, как вольфрамовые, безвольфрамовые и маловольфрамовые сплавы и стали, а также инструментальные стали, конструкционные металлы и сплавы при глубинах шлифования 0,5-1,0 мм и более практически не решена.

Решение проблемы интенсификации процесса шлифования мы связываем с активизацией основного фактора - динамического абразивного воздействия СТМ на обрабатываемый материал. Явления прецессии шлифовального шпинделя технологической системы и возникающие при этом эффекты вибрации и либрации в зоне обработки позволяют обеспечить производительность абразивного резания, равную 5000-10 000 5000-10 000 мм3/мин. Такая концепция разработки научных методов интенсификации процессов шлифования инструментальных материалов кругами из синтетического алмаза и кубонита на основе экспериментально-теоретического исследования обусловливает решение следующих задач:

— разработку и выбор экспериментальных методов и информационно-измерительных систем для исследования технологий шлифования с высокой производительностью обработки;

— создание технологических основ интенсификации процессов шлифования кругами с функционально-ориентированным рабочим слоем из СТМ; установление зависимостей работоспособности шлифовальных кругов от структуры функционально-ориентированного рабочего слоя из СТМ; определение основных характеристик процесса глубинного алмазного шлифования твердых сплавов; оценку влияния смазочно-охлаждающих технологических сред и оптимизация их выбора; технологическое обеспечение качества алмазного шлифования твердых сплавов;

— теоретическую разработку и исследование процесса (метода) вибрационно-прецессионного шлифования кругами из СТМ с учетом особенностей пространственного перемещения оси вращения шпинделя в технологической системе; анализ особенностей динамики и кинематики данного процесса; применение адаптивной системы управления; выбор расчетной модели и аналитическое определение технологических параметров вибрационно-прецессионного шлифования твердосплавного инструмента;

— обоснование характеристики рабочего слоя шлифовальных кругов из СТМ для интенсифицированных процессов шлифования инструментальных материалов; разработку кругов из алмаза и кубонитсодержащих металлополимерных и металлокерамических композитов, оценку их конкурентоспособности и технического уровня, создание компьютерной базы данных шлифовальных кругов из СТМ;

— разработку моделей технологий высокопроизводительного алмазного шлифования режущих инструментов: автоматизированной заточки твердосплавных резцов общего назначения и ножовочных полотен из инструментальных сталей; заточки дисковых дереворежущих пил с пластинками из твердого сплава; шлифования фасонного твердосплавного инструмента, применяемого при производстве подшипников; прецизионной обработки режущих инструментов (сверл, фрез, протяжек, штампов и др.), а также деталей из конструкционной керамики;

— разработку компьютерно-информационной оценки уровня технологий шлифования; разработку и реализацию специализированного оборудования и технологических устройств для высокопроизводительных процессов шлифования кругами из СТМ.

«Алмазно-абразивный инструмент в технологиях механообработки». / Под ред. А.О. Шепелева.- Киев: ИСМ им. В.М. Бакуля. НВЦ «Алкон» НАНУ, 2007.-340с.

(15 - 19 с.)

Алмазные шлифовальные порошки