Автори статті
Є. О. Пащенко, д‑р техн. наук, проф.,
С. А. Кухаренко, канд. техн. наук,
С. В. Рябченко, канд. техн. наук,
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України,
Г. В. Середа, канд. техн. наук, ДП «Бест-Бізнес»
Високопористі абразивні круги на керамічних зв’язках дедалі ширше використовуються в машинобудуванні. За комплексною оцінкою стійкості, припустимої швидкості видалення припуску та якісних параметрів сформованих поверхонь вони мають суттєву перевагу над традиційними абразивними інструментами. Проте, головна структурна особливість високопористих інструментальних матеріалів, яка зумовлює численні позитивні аспекти їх роботи, має свій зворотний бік. Йдеться про те, що висока абразивна спроможність високопористих кругів спричиняє їх високу агресивність по відношенню до правлячих інструментів. В свою чергу, прискорений знос правлячих інструментів, крім економічної складової, негативно впливає на точність профілю виробів, одержаних з їх використанням. В ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України знайшли вихід із цієї ситуації. Для прецизійної правки абразивних кругів тут розробили технологію виготовлення прецизійного алмазного правлячого інструменту з CVD алмазу різного типу.
Підтримання геометрії та ріжучої спроможності абразивного виробу є завданням операції правки. Існує велика кількість типів та різновидів правлячого інструменту, які можна класифікувати за різними ознаками. Важливою ознакою є характер опорної поверхні правлячого інструменту, яка контактує з шліфувальним композитом — об’єктом правки. Така поверхня може бути дискретною або безперервною. В першому випадку йдеться про інструменти, оснащені порошками природного чи синтетичного алмазу, в другому — про тіла обертання суцільної структури, виготовлені з матеріалів високої твердості та зносостійкості.
Правлячі інструменти на основі високоміцних порошків алмазу формують відкриту топографію абразивної поверхні, надаючи їй високої ріжучої спроможності. Проте навіть при запрограмованому розподілі зерен по поверхні корпусу правлячого інструменту, що є надзвичайно трудомісткою операцією, на ріжучому шарі неможливо уникнути формування протяжних доріжок, вільних від частинок алмазу. Це спричиняє флуктуації сил різання, що циклічно повторюються.
За даними публікацій останніх років, вірогідне вирішення згаданої проблеми полягає у створенні правлячих інструментів з комбінованою робочою поверхнею з використанням елементів (вставок) з CVD алмазу. Це є доцільним у зв’язку з його надзвичайно високою стійкістю до ерозійного впливу шламу в зоні правки та з виключними трибологічними характеристиками в контакті з основними складовими абразивних кругів.
Інструменти для прецизійного формоутворення абразивних кругів складають найбільш складний з точки зору виготовлення, найбільш привабливий з економічної точки зору та критично важливий з точки зору застосування сегмент інструментального виробництва. Технологічна проблема полягає в тому, що вказаний вище новий клас правлячого інструменту з CVD алмазу ніколи не розроблявся та не виготовлявся в Україні. Однак він широко використовується на машинобудівних підприємствах України для правки сучасних абразивних кругів при шліфуванні зубчастих коліс спеціальних редукторів та інших виробів. Створення інструментів з використанням CVD алмазу та технології їх виготовлення в даний час знаходяться в стадії доопрацювання у провідних зарубіжних розробників. Тому вирішення заданої науково‑технічної проблеми для потреб вітчизняного машинобудування є доцільним та актуальним завданням.
Мета роботи полягала в розробці технології виготовлення та впровадженні нового класу правлячого інструменту з CVD алмазу для абразивного шліфування на основі накопиченого в ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України досвіду з виготовлення алмазного правлячого інструменту для потреб підприємств машинобудування України.
Для досягнення вказаної мети необхідним є вирішення низки питань. По-перше, розроблена технологія виготовлення нового класу правлячого інструменту з CVD алмазу. Також створено методики та спеціальні стенди для вивчення працездатності правлячого інструменту з CVD алмазу. По-друге, установлено зв’язок між вихідними характеристиками абразивних кругів, характеристиками правлячого інструменту та режимів правлення, з одного боку, та характером зносу алмазного інструменту, періодом стійкості та вихідними параметрами процесу шліфування зубчастих коліс — з іншого боку. По-третє, вироблено рекомендації щодо оптимальних параметрів формоутворення абразивних кругів із заданими характеристиками для здійснення процесу шліфування. По-четверте, в ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України для прецизійної правки абразивних кругів розроблено технологію виготовлення та вироблено прецизійні алмазні правлячі інструменті з CVD алмазу різного типу для здійснення процесу шліфування.
Високопористі абразивні круги мають істотні переваги порівняно з інструментами нормальної пористості при обробці деталей з високолегованих сталей і сплавів у тих випадках, коли лімітуючими факторами є високі вимоги до відсутності «припалів» і тріщин при шліфуванні. Такими деталями є, наприклад, лопатки турбін, зубчасті колеса, черв’ячні фрези, ходові гвинти і т. п. Високопористі шліфувальні круги мають гарну самозаточуваність, технологічні з точки зору профілювання і правки, дозволяють шліфувати деталі з меншим виділенням тепла в зоні різання порівняно зі звичайними кругами [Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. М. : Машиностроение, 2007. 688 с.]. Структура кругів позначається цифрами і не має суттєвої відмінності в різних виробників. Структуру абразивних кругів поділяють на 12 груп. Чим вище номер, тим менше в об’ємі інструменту абразивних зерен, більше зв’язки і пор при однаковій твердості [Рябченко С. В., Середа Г. В., Валуйский В. Ю. Шлифование зубчатых колес абразивными кругами из рубин-корунда. Оборудование и инструмент для профессионалов. 2017. № 5. С. 48–51]. Приклади структури шліфувальних кругів з електрокорунду білого виробництва ДП «БЕСТ-БІЗНЕС» наведено на рис. 1.
Рис. 1. Приклади структури шліфувальних кругів електрокорунду білого зернистістю F60 за номерами:
а — 12, б — 11, в — 9, г — 6
Досвід використання традиційних правлячих роликів, одержаних методом гальванопластики, для формоутворення високопористих абразивних кругів виявив дещо парадоксальну картину, а саме: при менших, ніж для звичайних абразивних кругів, зусиллях різання в парі «правлячий ролик– абразивний круг», спостерігається прискорений знос правлячого інструменту. Це явище є наслідком високої агресивності високопористих абразивних композитів до зв’язок, що утримують зерна алмазу на поверхні правлячого ролика (рис. 2). Для уникнення прискореного зносу зв’язки правлячого інструменту слід змінити динаміку пульсацій контактного зазору між правлячим роликом та абразивними кругом. Зокрема, зменшити характерний час контактування абразивного матеріалу зі зв’язкою ролика та збільшити характерний час його контактування з надтвердими елементами можна, застосувавши в конструкції правлячого ролика інструменту кристали CVD алмазу. Це дозволяє суттєво збільшити кількість правок, при якій сформований профіль абразивного круга залишається в межах вимог креслення (рис. 3).
Рис. 2. Швидкість зносу металічної зв’язки між надтвердими елементами: 1 – ролик з використанням кристалів CVD алмазу, 2 – традиційний правлячий ролик з зернами алмазу АС200 500/400Т
Рис. 3. Кількість правок до втрати точності сформованого профілю: 1 – ролик з використанням кристалів CVD алмазу, 2 – традиційний правлячий ролик з зернами алмазу АС200 500/400Т
Товстошаровий CVD алмаз (рис. 4) слід розглядати як матеріал, який є альтернативою природним і полікристалічним алмазам. Він має такі ж надзвичайно високі хімічні та фізичні параметри як природні алмази, а також алмази, отримані синтезом в умовах високих тисків і температур (НРНТ). По суті, це чистий вуглець, який не містить сполучної фази. Однак, оскільки CVD алмаз складається зі зрощених мікрокристалів алмазу, він є дійсно полікристалічною речовиною. Як і у випадку багатьох матеріалів, вирощених тонкоплівковими технологіями, кристали в такому CVD алмазі виростають з маленьких центрів кристалізації, які зростаються в міру росту та потовщення шару, надаючи йому стовбурову структуру. CVD алмази хімічно інертні, мають чудову теплопровідність і високу стійкість до абразивного зносу.
Рис. 4. Кристали CVD алмазу
Особливий інтерес становить можливість використання CVD алмазу для виготовлення алмазних роликів та інших абразивних правлячих інструментів [Пащенко Є.О., Кухаренко С.А., Рябченко С.В., Бичихін В.М., Шатохін В.В. Розробка технології виготовлення та впровадження нового класу інструменту з CVD-алмазу для шліфування високоточних зубчастих коліс спеціальних редукторів. Nauka innov. 2020. № 16 (1). С. 77–84]. При цьому створюється унікальна можливість одержання виробів, у яких будуть строго однакові робочі елементи, а, отже, і однакова (оптимальна) площа контакту з робочою поверхнею абразивного круга, що, як, відомо, має принципове значення з погляду як якості правки, так і загального терміну служби правлячого елементу. Проєктування правлячого ролика з CVD алмазу виконували за допомогою комп’ютерної програми AutoCAD, яка відповідає всім стандартним вимогам до проєктування спеціального алмазного інструменту і вимогам замовника до правлячих роликів такого типу. При проєктуванні правлячого ролика були враховані всі вимоги до техніки безпеки при їх виготовленні та існуючого обладнання для виготовлення алмазного інструменту на адгезійно-активних металевих зв’язках [Пащенко Е. А., Лажевская О. В., Черненко А. Н., Савченко Д. А., Нековаль Н. Н. Исследование работоспособности абразивных композитов, формирующих активные технологические среды в зоне резания. Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент — техника и технология его изготовления и применения : сб. науч. тр. 2016. Вып. 19. С. 421–427].
Механічна обробка правлячих роликів з CVD алмазу включає токарну обробку корпусу інструменту, фрезерування пазів під кріплення кристалів алмазу, фінішну обробку посадкового отвору, свердління посадочних отворів під гвинти та гравірування характеристик інструменту на корпусі.
Доведення правлячих роликів з CVD алмазу включає фінішне шліфування робочого шару по торцю та периферії ролика, замір показників ролика по точності й остаточне доведення кристалів CVD алмазу на оптико-шліфувальному верстаті.
На рис. 5 наведено фото доведення ролика на оптико-шліфувальному верстаті. Останні операції з виготовлення правлячого ролика полягали у вимірах його точності та гравіювання його характеристик на корпусі ролика.
Рис. 5. Доводка ролика на оптико- шліфувальному верстаті
Процес правки шліфувального круга виготовленим правлячим роликом з CVD алмазу наведено на рис. 6. Проведені випробування показали, що використання елементів (вставок) з CVD алмазу виявилося доцільними у зв’язку з його надзвичайно високою стійкістю до ерозійного впливу шламу в зоні правки та з виключними трибологічними характеристиками в контакті з основними складовими абразивних кругів [Рябченко C. В. Шлифование зубчатых колес кругами из сверхтвердых материалов. Резание и инструменты в технологических системах. 2018. Вып. 89. C. 158–164].
Рис. 6. Правлячий ролик з CVD алмазу при обробці шліфувального круга
Таким чином, використання правлячих інструментів, оснащених ріжучими елементами з CVD алмазу, для формоутворення високопористих абразивних кругів має суттєві переваги порівняно з роботою традиційних правлячих роликів. Подальше удосконалення технології виготовлення правлячих роликів з CVD алмазів буде спрямоване на посилення адгезії металічних зв’язок до поверхні CVD кристалів, а також на підвищення ефективності доводки інструментів, виготовлених з них.
