Долгое время для шлифования и заточки твердосплавного инструмента использовался преимущественно карбид кремния зеленый (КЗ), а для доводки- карбид бора В4С (КБ).
Обработка твердосплавного инструмента кругами из КЗ имеет существенные недостатки: в следствии его не высокой твердости (300-330 МПа) и жесткости, низкой теплопроводности и нерациональных геометрических параметров зерен в зоне резания возникают высокие температура, давление и трение. Тепловое и механическое воздействие ухудшает качество твердого сплава, так как в нем происходят фазовые и структурные изменения поверхностного слоя, возникает сетка микро и макротрещин, которые служат очагами концентрации напряжений, в результате чего снижаются прочность и долговечность твердого сплава, происходят разрушения режущей кромки и ускоренный износ инструмента. При этом шероховатость обработанной поверхности Ra= 2.5-0.63 мкм, получаются большие радиусы округления режущей кромки до 30-60мкм и не прямолинейная с зазубринами и сколами лезвие инструмента. Из-за этих дефектов снижаются скорость, число переточек и увеличивается число аварийных выходов инструмента из строя, уменьшается срок службы инструмента до полного износа, ухудшается качество обрабатываемых поверхностей деталей.
Низкая стойкость вызывает частые переналадки инструмента, что увеличивает вспомогательное время, затраты на переточку инструмента и снижает коэффициенты использования инструментального материала и применяемого оборудования. Кроме того, карбид кремния зеленый не достаточно прочен, что приводит к интенсивному разрушению абразивных зерен и является причиной низкой износостойкости шлифовальных кругов, которые быстро теряют приданную им форму и практически не пригодны для обработки фасонных поверхностей инструмента особенно из наиболее износостойких марок твердых сплавов. Это сдерживало их широкое применение в различных отраслях промышленности. При работе кругами из КЗ практически невозможно было изготовить сложно профильный твердосплавный инструмент (червячные и дисковые модульные фрезы, долбяки, шеверы, метчики, протяжки и т.д.).
Чтобы повысить точность и снизить шероховатость поверхности после шлифования и заточки кругами из КЗ, производили доводку (притирку) твердосплавного инструмента пастами из карбида бора, который имеет несколько большую твердость, чем карбид кремния зеленый. Однако доводка пастами из КБ, выполняемая в большинстве случаев в ручную, является весьма трудоемкой и малопроизводительной операцией и не обеспечивает высокого качества обрабатываемых поверхностей и режущих кромок инструмента. Стойкость твердосплавного инструмента, доведенного пастами увеличивается незначительно.
Таким образом, повышение эффективности использования и расширение области применения спеченных твердых сплавов в народном хозяйстве сдерживалось из-за отсутствия более эффективного, чем КЗ, абразивного материала для их обработки. Промышленное производство синтетических алмазов и шлифовального инструмента из них позволило успешно решить задачу высококачественной и высокопроизводительной обработки твердых сплавов. Алмазы позволили не только упрочить и удвоить долговечность твердых сплавов, коренным образом усовершенствовать технологические процессы, снизить себестоимость продукции, повысить технический уровень и культуру производства. Такие преимущества алмазной обработки твердосплавного инструмента объясняются уникальными свойствами алмазов.
Значительное превосходство твердости алмаза (98 ГПа) по сравнению с твердостью любого абразивного материала как при низкой, так и и высокой температуре позволяет алмазному зерну легко внедряться в обрабатываемый материал и обеспечивать при этом высокопроизводительную обработку. Анизотропия алмаза по твердости и другим механическим характеристикам, а следовательно, по износостойкости и хрупкости, по- видимому, является одной из основных причин его высокой и стабильной режущей способности. Меньше чем у электрокорунда и карбида кремния, коэффициент трения у алмаза с металлами и сплавами (f=0.05-0.20) уменьшает работу и адгезионную составляющую силы трения и тем самым снижает теплонапряженность процесса шлифования, что позволяет получить высокое качество и интенсифицировать процесс обработки.
Вследствие высокой температуро- и теплопроводности, которая почти в 10 раз больше чем у КЗ и низкой теплоемкости алмаза тепло, возникающее в процессе шлифования, не аккумулируется на режущей кромке зерна, а быстро отводиться в глубь его, что также способствует уменьшению температурного напряжения в зоне резания и контактных поверхностях, в результате чего меньше нагревается как само алмазное зерно, так и обрабатываемая поверхность детали, снижается контактная температура в 3-5 раз по сравнению с обработкой обычными абразивами, не происходят структурные превращения в поверхностном слое,
Упругость алмаза в 2.5-3 раза больше чем у карбида кремния и карбида бора. Уменьшая деформацию и внутренние напряжения в твердом сплаве и облегчая его съем, упругость алмаза резко снижает давление и температуру в зоне резания, в результате чего улучшаются структура и физические свойства поверхностного слоя твердого сплава вследствие изменения тонкой кристаллической структуры- напряжений I рода , размера блоков мозаики микро искажений решетки (напряжений второго рода) и формирования в нем остаточных напряжений сжатия вместо растягивающих напряжений в исходном состоянии. По-видимому, именно различием знака напряжений в поверхностном слое твердых сплавов ( в результате изменения его тонкой кристаллической структуры) можно объяснить природу повышения предела прочности при изгибе, ударной вязкости на 15-50% и долговечности при ударном напряжении в 10 раз после их алмазного шлифования. Таким образом, повышение прочности ударной вязкости и долговечности, а следовательно, и эксплуатационных показателей твердого сплава после алмазной обработки обусловлено не только упрочнением в результате изменения тонкой внутренней структуры, но и наличием в поверхностном слое напряжений сжатия.
Высокие температуры при шлифовании кругами из КЗ вызывают появление в поверхностном слое остаточных напряжений растяжения в результате неоднородного нагрева и охлаждения твердого сплава, вследствие чего их прочность уменьшается по сравнению с исходным состоянием, и снижаются эксплуатационные показатели. Чрезвычайно низкий коэффициент сжатия алмаза в сочетании с высоко режущей способностью зерен также исключает образование дефектного поверхностного слоя и способствует высокой размерной точности обработки изделий.
Наряду с большей, чем у обычных абразивных материалов прочностью алмаза и широким его диапазоном (1:12) у различных марок синтетических алмазов благодаря совершенной спайности алмазное зерно в тоже время обладает достаточной хрупкость и, следовательно, самозатачиваемостью и высокой абразивной способностью.
По сравнению с другими абразивными материалами алмаз обладает самой высокой хрупкой прочностью, определяемой величиной предельной толщины среза зерном, значение которой снижается в ряду АСС-АСК-АСВ-АСР-АСО, что позволяет применять алмазный шлифовальный инструмент как при малых, так и больших съемах материала. Все эти благоприятные условия алмазного шлифования повышают качество, стойкость и долговечность обрабатываемых изделий и износостойкость шлифовального инструмента. Сочетание малых температурных (в следствии низкого температурного коэффициента и высокой теплопроводности алмаза) и механических деформаций (в следствии высокого модуля упругости), а также высокой износостойкости (в следствии непревзойденной твердости) позволяет получать алмазным инструментом стабильно высокую точность обработки деталей и поддерживать ее в течении длительного времени, т.е. достигать высокую точность размерной обработки. Более рациональные, чем у обычных абразивных материалов, геометрические параметры : значительно меньшие значения радиусов округления вершин и углов выступов, а также более шероховатая поверхность с большим числом острых режущих кромок на алмазном зерне- оказывает большое влияние, прежде всего, на закономерности формирования микро геометрии поверхности и режущих кромок, структуры и физико-химических свойств поверхностного слоя, создают более благоприятные, чем при шлифовании карбидом кремния, условия для микро резания, в том числе таких весьма трудно обрабатываемых материалов, как спеченные вольфрамовые и безвольфрамовые твердые сплавы и менераллокерамические сплавы, поликристаллический нитрид бора и т.д. Это позволяет при работе алмазным инструментом с меньшими силами и более низкими температурами производить съем материала в основном резанием, в то время, как при шлифовании кругами из обычных абразивов возникают большие силы, зерна абразива удаляют слои материала благодаря дроблению и пластическому течению его поверхностного слоя под воздействие высокой температуры, возникающей в зоне резания.
Благодаря большему числу режущих кромок зерна синтетических алмазов, как правило, осуществляют резание не одной, а несколькими кромками, т.е. суммарная режущая кромка алмазного зерна больше, чем зерна из карбида кремния зеленого и других абразивных материалов, что повышает режущую способность алмазного инструмента, снижает напряженность и увеличивает производительность процесса шлифования. В следствии свой микро и субмикро геометрии в сочетании с высоким модулем упругости алмазное зерно воздействует на обрабатываемый материал через меньшие контактные поверхности, чем зерна других абразивных материалов. Микро и субмикро выступы алмазных зерен являются самостоятельными царапающими элементами, снимающими стружку, в 10-100 раз меньшую по сравнению с основным царапающим элементом, что при высокой остроте алмазных зерен позволяет снимать с детали тончайшие слои материала с минимальными нагрузками на каждое алмазное зерно.
Выпуск гаммы марок синтетических алмазов и алмазных кругов на различных связках с широким диапазоном физико-механических и эксплуатационных свойств, непрерывное расширение их и улучшение их качества позволили выбирать характеристику алмазного инструмента, наиболее полно отвечающего требованиям тех или иных условий обработки, и тем самым значительно повысить их эксплуатационные показатели, увеличить эффективность использования, расширить области применения, создать реальные предпосылки по постепенной замене ими обычных абразивов.
Автор: к.т.н., проф. И.П.Захаренко
