ВСТУП

На сьогодні до абразивного інструменту висуваються все більш жорсткі вимоги. Для створення досконалих деталей і пристроїв із забезпеченням необхідних умов потрібен інструмент з надтвердих матеріалів, що знизять витрати на обробку та матимуть підвищену точність , високу зносостійкість, підвищену продуктивність водночас.

На даний момент інструменти з надтвердих матеріалів знайшли широке застосування у різноманітних галузях світової промисловості таких як: машинобудівна, аерокосмічна, будівельна, ювелірна тощо. Використовують їх для обробки і заточки ріжучого інструменту з твердих сплавів всіх марок, заточки і доводки інструмента з надтвердих матеріалів, нарізання і обробки кремнію, германію і інших напівпровідникових матеріалів, нарізання, обробки і доводки виробів з феррита, кераміки, обробки графіту та вуглепластиків, огранки і поліровки дорогоцінних каменів, обробки всіх видів художнього і технічного скла та фарфору, нарізання та обробка всіх видів вогнетривких матеріалів.

Матеріали з мікротвердостью Hμ>50 Гпа відносять до надтвердих. У основу класифікації надтвердих матеріалів покладена їх основна характеристика — твердість, згідно якої надтверді матеріали ділять на п'ять основних класів: 1) природні алмази (мікротвердость понад 100 ГПа); 2) синтетичні алмази (мікротвердость 90—100 ГПа); 3) кубічний нітрід бору (мікротвердость 70—80 ГПа); 4) вюрцитоподібний нітрід бору (мікротвердость 50—80 Гпа); 5) композиційні надтверді матеріали на основі карбідів, нітрідов, бориду IV—VI групп періодичної системи Д. І. Менделєєва(мікротвердость 30— 50 Гпа).

Фізико-механічна взаємодія абразивних зерен з оброблюваною поверхнею в процесі шліфування визначає особливості формування мікрогеометрії поверхонь та характер утворення стружки, стан і властивості поверхневого шару виробів. При обробці матеріалів інструментом зі звичайних абразивів внаслідок їх недостатньої твердості та міцності, низьких тепло-фізичних характеристик, а також нераціональних геометричних параметрів зерен виникають великі сили різання, зерна абразива видаляють матеріал при високій температурі , що виникає в зоні різання. В результаті теплового і механічного впливу погіршуються стан та властивості поверхневого шару і матеріалу в цілому – в ньому проходять фазові та структурні перетворення, в більшості випадків утворюються залишкові напруження розтягу, мікро- та макротріщіни, котрі являються концентраторами напружень. Все це разом взяте призводить до зниження зносостійкості та довговічності виробів. Отже, для підвищення якості та працездатності оброблюваних виробів в багатьох випадках, особливо там, де потрібно підвищена якість робочої поверхні, необхідно виключити або обмежити використання звичайних абразивів. Особливо це стосується інструменту на основі твердих сплавів, обробка традиційними абразивами яких спряжена з труднощами.

1. ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗДІЛ

1.1 Вибір та обґрунтування технологічного процесу

1. Вибір матеріалу

Створення відповідальних конструкцій і деталей машин, різальних і шліфувальних інструментів з нових матеріалів, що мають підвищенну твердість, абразивну здатність, міцність та інші характеристики, зумовлюють необхідність використання абразивного інструменту, який зміг би забезпечити необхідні вимоги щодо класу шорсткості поверхні деталі, дефектності поверхневого шару, зносостійкості, збереження необхідних форми та розмірів деталей тощо. Тож щоб вибрати необхідний матеріал для абразивного інструменту для шліфування ріжучих кромок керамічного і металокерамічного твердосплавного інструменту розглянемо найбільш вживанні абразивні матеріали.

Синтетичний алмаз.

Значна перевага твердості алмазу (98Гпа) в порівнянні із твердістю любого іншого абразивного матеріалу як при низькій, так і при високій температурі дозволяє алмазному зерну легко проникати в оброблюваний матеріал і забезпечувати при цьому високопродуктивну обробку. Анізотропія алмаза по твердості і іншим механічним характеристикам, а отже, за зносостійкістю та крихкістю, є однією з основних причин його високої та стабільної ріжучої

здатності. В 1,3 – 1,5 разів менший, ніж у електрокорунда та карбід кремнію коефіцієнт тертя алмаза з металами і сплавами(f = 0,05 – 0,20) зменшує роботу і тим самим зменшує теплонапруженість процесу шліфування, що дозволяє отримати високу якість обробки , інтенсифікувати її процес та зменшити вплив швидкості ковзання як теплового фактора. Наявність і збереження на алмазах

плівок, що утворились в результаті графітизації та інших адсорбованих плівок, що розділяють поверхню контакту алмаз – оброблюваний матеріал, перешкоджають схоплюванню, знижують адгезійну складову сили тертя і збільшують ефективність алмазного шліфування.

Алмаз має малу здатність до деформації в процесі впливу на нього навантаження, тобто має високу пружність. Модуль пружності алмаза (883Гпа) в 2,5 – 3,0 рази більше, ніж у карбіду кремнію чи карбіду бору. Завдяки цьому зменшується деформація і внутрішні напруження в твердому сплаві та полегшується його зняття, різко знижуються тиск та температура в зоні різання, в результаті чого поліпшується структура та фізичні властивості поверхневого шару твердого сплаву внаслідок зміни його тонкої кристалічної структури.

Алмазні зерна переважають за міцністю абразивні матеріали, зерна КНБ (ельбора, кубоніта). Характерною особливістю синтетичних алмазів є те, що діапазон їх руйнуючого навантаження знаходиться в широких межах, причому динамічна міцність мікрокромок зерен всіх марок синтетичних алмазів значно перевищує їх статичну міцність. Крім того, різноманітні способи додаткової обробки алмазів з метою підвищення їх міцності, в тому числі жароміцності (класифікація по формі і овалізація зерен, легування алмазів при синтезі, ультразвукова обробка та термообробка у вакуумі, покриття алмазів) дозволяють значно підвищити експлуатаційні характеристики алмазів – зносостійкість, ріжучу здатність та продуктивність. Разом з необхідною міцністю алмаз володіє достатньою крихкістю, що забезпечує високу здатність до самозатачування зерен. В порівнянні з іншими абразивними матеріалами алмази володіють самою високою крихкою міцністю, що визначається граничною товщиною зрізу зерном.

Не менш важливою перевагою алмазів в порівнянні із іншими абразивними матеріалами є їх високі температуро- та теплопровідність (для монокристалів λ = 500 – 2000 Вт/м*С) і низька теплоємність. Тому теплота, що виникає в процесі шліфування, не акумулюється та ріжучій кромці зерна, а швидко відводиться вглиб, в результаті чого в три – п’ять раз знижуються контактна температура(значна кількість теплоти уходить із зони різання в круг, що слугує своєрідним охолоджувачем виробу) та сили різання в порівнянні зі звичайними абразивами, не виникають суттєві структурні перетворення та деформація в поверхневому шарі.

Ще одною важливою перевагою алмазного шліфування є висока хімічна, корозійна та термічна стійкість алмазів. Як природні, так і синтетичні алмази не взаємодіють з найактивнішими мінеральними кислотами і їх сумішами або взаємодіють з настільки малою швидкістю, що ці реагенти можуть використовуватись для кількісного аналізу та технологічних цілей. Термостійкість добре огранених алмазів з мінімальною кількістю включень досягає 1000С і може бути підвищена за рахунок введення в склад зв’язок

метaлів та оксидів, котрі знижують їх горіння (W, Zn,B₂O₃,WO₃ та ін), термообробкою і покриттям зерен.

Винятково важливою особливістю синтетичних алмазів є те, що шліфувальні порошки з них випускаються різноманітних марок, яку відрізняються міцністю, крихкістю, формою, характером та розміром питомої поверхні, здатністю до самозаточування, що дає змогу тонко підбирати конкретний алмаз під необхідний матеріал.

По зносостійкості алмаз перевершує абразиви, котрі використовуються в техніці в тисячі та десятки тисяч разів. При чьому його зносостійкість тим більша, чим твердіший і крихкіший оброблюваний матеріал.

В порівнянні із зернами звичайних абразивів, кубічного і вюрцитоподібного нітрида бору зерна синтетичних алмазів мають значно менші радіуси закруглення вершин, сильно розвинені ріжучі кромки, більшу кількість гострих кутів на зерні. Більшість марок синтетичних алмазів мають розвинену шорстку поверхню з виступами, заглибленнями і великим числом ріжучих елементів на одному зерні. Такі параметри геометрії і поверхні алмазних зерен в поєднанні із іншими властивостями мають великий вплив на закономірності формування мікрогеометрії, структури і фізико-механічних властивостей поверхневого шару, створюють більш сприятливі, ніж при шліфуванні іншими абразивами, умови мікрорізання, особливо таких важкооброблюваних матеріалів ,як спечені вольфрамові і безвольфрамові тверді сплави, ріжуча кераміка, полікристалічні алмази, композити на основі нітрида бору та ін.

Нітрид бора – абразив, що відрізняється високою твердістю (80-90ГПа), близькою до твердості алмазу. В наш час він відомий в виді трьох самостійних модифікацій з кристалічними структурами: гексагональний графітоподібний BNг(ельбор), кубічної сфалеритної BN_сф(кубоніт), і вюрцитоподібною BNв(гексаніт-А).

Він має кристалічну решітку майже с такою же будовою та параметрами, як і у алмаза, з тією лиш різницею, що період і мінімальна міжатомна відстань решітки в нього дещо більша.

Завдяки досконалій спайності КНБ володіє підвищеною чутливістю до ударних навантажень, тобто крихкістю і здатністю до самозаточення. В результаті сколювання кристалів по площині спайності, іншими словами розриву міжатомних звязків, при шліфуванні ріжучі кромки КНБ постійно самовідновлюються аж до повного зносу шліфувального інструмента. При малій глибині шліфування (0,005 – 0,01 мм) з охолодженням швидкорізвльної сталі КНБ і алмаз мають майже однакову ріжучу здатність, а із збільшенням подачі на глибину перевагу має КНБ.

За твердістю (90Гпа) КНБ перевершує всі абразивні матеріали, крм алмаза. Його твердість в 4 рази більша за твердість електрокорунда (20-23 ГПа) та в 3 рази – твердості карбіду кремнію (33-46 Гпа), при чому твердість електрокорунду близька до твердості карбідів вольфраму і ванадію (близько 23Гпа), що входять у склад швидкорізальних сталей, що в свою чергу викликає великі труднощі обробки останніх чим абразивом. Коефіцієнт тертя в парі з швидкорізальною сталю при швидкості від 9 до 150 м/хв не перевищує 0,03 і зі збільшенням температури знижується, так як утворюється плівка борного ангідрида, яка заважає подальшому окисненню, забезпечує гарне змащування, а отже шліфування проводиться інтенсивно і якісно без фазових та структурних змін в поверхневому шарі.

Характерно, що при нагріві до 1000 – 1100С міцність зерен КНБ практично не змінюється , більш того, при температурах активного окиснення міцність зерен, навпаки , збльшується, так як вони при цьому овалізуються і плівки оксиду бору цементують дефекти поверхні. Модуль пружності КНБ (706Гпа) значно більше , ніж у звичайних абразивів (296-365Гпа) та швидкорізальної сталі(220Гпа).

Як і алмаз, КНБ відрізняється досить високою хімічною стійкістю до кислот та лугів(на повітрі КНБ не змінює своїх властивостей до температурі в 1300С, коли алмаз тільки до 800С). Також аналогічно до алмазу має вісокі тепло- і температуропровідності при низьких теплоємності і температурному коефіцієнті.

Не менш важливою перевагою КНБ є його хімічна інертність до металів. Так при температурах до 1200С нітрид бору хімічно інертний до заліза – основи більшості марочних сталей та сплвів, що знижує знос зерна, інтенсивність схоплювання, наростоутворення і тим самим запобігає засалюванню кругів.

Таким чином , КНБ(кубоніт, ельбор) і гексаніт-А значно перевершують звичайні абразивні матеріали та синтетичний алмаз по всім основним властивостям і експлуатаційним характеристикам при обробці швидкорізальних сталей та інших легованих інструментальних сталей.

Щодо традиційних абразивних матеріалів:

Карбід кремнію - абразивний матеріал, що представляє собою хімічна сполука кремнію з вуглецем. Хімічно чистий карбід кремнію безбарвний і прозорий, а технічний пофарбований від ясно-зеленого до чорного квітів, залежно від состава й змісту домішок. З карбіду кремнію одержують шліф-зерно, шліф і мікропорошки, які застосовуються для виготовлення абразивного інструмента на твердій і гнучкій основах, а також паст.

Оксид алюмінію – один з найпоширеніших абразивів для шліфувальних кругів. Являє собою тверді зносостійкі кристали з гострими гранями на зламі. Виготовляють його в електричних печах за температури понад 2000^оС. Він витримує сильний тиск і добре врізається в поверхню, що обробляється. У порівнянні з карбідом кремнію, він має меншу ріжучу здатність, зате є більш стійким. Зазвичай його використають в операціях з високою швидкістю обертання диска, причому в цьому випадку абразив нанесений на основі рідко. Особливо чистий оксид алюмінію більш крихкий, зате більш твердий. Цей абразив, зокрема використовують для шліфування вуглецевої сталі й сплавів, швидкорізальної сталі, відпаленого ковкого чавуну, виробів з кованого заліза, бронзи й подібних матеріалів. Існує багато різних видів абразивів з оксиду алюмінію, кожний з яких спеціально виготовлений і підібраний для відповідного виду робіт шліфування.

Керамічний оксид алюмінію краще використається в операціях, коли навантаження на кожне зерно в "плямі контакту" дуже великі. Найбільше підходить для циліндричного шліфування більших поверхонь. Не підходить для операцій з великою величиною довжини дуги контакту й малим навантаженням на зерно, наприклад для внутрішнього й плоского шліфування. Однак, модифікований керамічний оксид алюмінію цілком підходить для шліфування грузлої нержавіючої сталі й високотемпературних сплавів, так само при великій довжині дуги контакту.

Цирконієвий оксид алюмінію - інше сімейство абразивів, зроблених з різного сполучення оксиду алюмінію й оксиду цирконію. Сплав матеріалів дає міцний, стійкий абразив, що застосовується в грубій шліфувальній обробці, наприклад, відрізання сталей і сплавів широкого діапазону.[2]

Як видно з преведених данних, для абразивної обробки виробів металокерамічних твердосплавних різців. за висунутими вимогами найбільш повно підходить синтетичний алмаз.

Проте роботоздатність та ефективність алмазного інструменту визначається сукупністю характеристик і властивостей звязки, контактних ділянок зерен і звязки, фізико-механічними властивостей абразивних зерен.

Звязкою називається матеріал, що закріплює абразивні зерна в робочому шарі ріжучого інструменту. Вона займає більшу частину робочого шару і є його основою. В звязку з цим, вона повина відповідати певним вимогам.

Перш за все, звязка повинна міцно утримувати алмазні зерна. Чим міцніще алмазне чи будь-яке інше абразивне зерно, тим міцніще повинна бути зчепленна звязка з зерном і тим більша знососостійкість звязки повинна забезпечуватись. Як показує практика міцність зчеплення, в основному, залежить від механічного обжимання зерен звязкою, що диктується хімічними, механічними властивостями звязки, а також методом виробленняю. Також обжиманню зерен материалом матриці сприяє унікальна властивість алмаза зменшуватись в обємі при нагріві і збільшуватиь при охолодженні. Охолодження виробу після спікання забезпечує надійне закріплення в ньому алмазних зерен.

Адгезійна здатність перехідних металів до алмаза підвищює міцність закріплення зерен в інструменті. Для збільшення зносостійкості, а отже і зчеплення абразиву зі звязкою , алмази додатково покривають металами та іншими матеріалами, які при спіканні взаємодіють з матрицею-звязкою, утворюючи міцні молекулярні або хімічні звязки. До звязки пред'являється ще одна важлива вимога: вона повинна самозаточуватись, тобто своєчасно знашуватись, щоб оголити алмазні зерна по мірі затуплення зерен, що знаходятся на поверхні. Окрім того повинні володіти достатньою термостійкістю і мати хорошу теплопровідність, що дозволить зберігати необхідну жорсткість в умовах роботи інструмент. У парі з оброблюваним матеріалом мати мінімальний коефіцієнт тертя. До необхідних вимог водносять також навність коефіцієнту термічного розширення (КТР), близького до КТР надтвердого матеріалу, оскільки інакше при ваганні температури в зернах абразивного матеріалу можуть виникнути велика напруга і зерна руйнуватимуться. І останньою вимогою можна назвати хімічну інертність з оброблюваним матеріалом і охолоджуючою рідиною.

Між собою звязки поділяються на неорганічні та органічні. До неорганічних відносять металічну, керамічну, силікатову, магнезитову, а до орагнічних бакелітову, вулкнітову.

Керамічна звязка виготовляється з порошку скла, вогнетривких глин та інших керамічних композицій. Керамічна звязка має високу вогнетривкість, водостійкість, хімічну стійкість, добре зберігає профіль робочої кромки круга, проте чутлива до ударних та згинаючих навантажень. Використовують плавку і спечену керамічні звязки. Із-за крихкості сучасні керамічні звязки не можуть бути використані для виготовлення відрізних кругів.

Силікатова та магнезитова звязки мають обмежене використання, вони маломіцні та чутливі до охолоджуючих рідин. Основна їх перевага – менше виділення теплоти при шліфуванні.

Абразивний інструмент на бакелітовій звязці володіє більш високою міцністю та пружністю, ніж інструмент на керамічній звязці. Він може бути виготовлен різноманітних форм та розмірів, в тому числі і дуже тонких до 0,5 мм для відрізних та прорізних робіт. Недоліком бакелітової звязки є невисока стійкість проти дії охолоджуючих рідин, що містять лужні розчини. Бакелітова звязка має більш слабе, ніж керамічна, зчеплення з абразивним зерном, тому інструмент на цій звязці широко застосовується на операціях плоского шліфованн, де необхідно самозаточення круга. Ця звязка має невисоку теплостійкість і вигоряє при нагріві до 250-300С, а при 200С и вище бакелітова звязка стає крихкою.Абразивний інструмент на бакелітовій звязці частіше виробляють з електрокорунда нормального і карбіда кремнію чорного.

В основі вулканітової звязки лежить термічно оброблена суміш каучука із сіркою. Еластичність інструмента на вулканітовій звязці використовується при обробці фасонних поверхонь і профільному шліфуванні. Вулканітова звязка значно гірше, ніж керамічна утримує абразивні зерна і це компенсується збільшенням кількості звязки за рахунок зменшення пор. Тому інструмент на вулканітовій звязці відрізняється щільною структурою, що визиває збільшення тепловиділення при шліфуванні. Із-за низької теплостійкості каучука (150-180С) приводить до розмягчення і вигоряння звязки при інтенсивному різанні. Абразивні зерна вдавлюються в еластичну звязку і ріжуть подібно до більш мелкозернистого інструменту, забезпечуючи найменші параметри шорсткості поверхні.

Металічні звязки більш міцно утримують алмазні зерна в порівнянні з органічними звязками, і тому алмазоносний шар на їх основі більш зносостійкий. Недоліком металічних звязок є їх висока схоплюваність з оброблюваними металами та сплавами, що при недостатньому охолоджені приводить до зиження роботоздатності інструмента. В якості звязки використовуються різноманітні композиції на основі міді, олова, алюмінію, заліза, нікеля, срібла, кобальта, хрому, титана та інших матеріалів. Склад звязки вибирається з урахуванням вищезазначених вимог, а також щоб температура спікання інструмента була нижче температури горіння і графітизації алмазів. Задля попердження схоплювання матеріалу звязки з матеріалом оброблюваного виробу в склад звязка вводять тверді неметалічні наповнювачі: абразивні порошки, антифрикційні добавки, тверді змазки.

Наповнювачі з твердих неметаліних матеріалів - абразивні порошки- вводять для підвищення твердості, зменшення відсотку металічіної фази і відповідно площі контакту металічної основи звязки з поверхнею оброблюваного матеріалу і, як наслідок, - зменшення схоплювання звязки з оброблюваним металом.

Тверді змазки типу графіта чи дисульфіда молібдена добавляють для підвищення антифрикційних властивостей звязки, зменшення площі контакту металічної основи звязки з поверхнею оброблюваного матеріалу і зменшення схоплювання звязки з оброблюваним металом.

Інструмент на металевих звязках застосовують для обробки високоміцних матеріалів, які мають абразивну здатність, коли в процесі обробки на алмазні зерна діють підвищенні навантаження.

Тож в парі з синтетичним алмазом було обранно звязку на металічній основі, так як вона дає необхідні значення жорсткості закріплення зерен в матриці, із додавання наповнювачів та домішок, які запобігають схоплюванню з твердими сплавами. Вибір матеріалу корпусу залежить від матеріалу звязки, теплового режиму при виготовлені, умов експлуатації. Корпус повинен забезпечувати достатню міцність, добру теплопровідність для відводу тепла з зони контакту, мати близький коефіцієнт термічного розширення до КТР алмазоносного шару. За всіма параметрами нам підходить Сталь45.