способ изготовления инструмента для электроабразивного шлифования

Формула изобретения

Способ изготовления абразивного инструмента для электроабразивного шлифования, включающий газофазное насыщение абразивного изделия продуктами пиролиза углеродсодержащих газов, отличающийся тем, что газофазному насыщению подвергают предварительно спеченное абразивное изделие на керамической связке с обеспечением отложения на стенках пор его поровой структуры электропроводных твердых продуктов пиролиза углеродсодержащих газов при температуре 300-1350°С и давлении 0,0001-3000 атм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству абразивного инструмента из порошков природных и синтетических абразивных материалов, обладающих электропроводностью, достаточной для осуществления процесса электроабразивного шлифования. С помощью данного изобретения можно изготавливать электропроводные круги на керамической связке из любых абразивных материалов: алмаза, кубического нитрида бора, карбида кремния, электрокорунда и др.

Одним из основных преимуществ абразивных инструментов на керамических связках является их открытая структура. Объем пор в этих инструментах составляет от 24 до 75 об.%. Это обеспечивает возможность лучшего отвода снимаемой стружки, позволяет работать в более жестких режимах шлифования без «засаливания» рабочей поверхности инструмента. При всех достоинствах этих инструментов они имеют следующие недостатки:

- Низкую теплопроводность, приводящую к сильному повышению температуры абразивных зерен и их возможной деструкции. Наиболее существенно это проявляется в инструментах из кубического нитрида бора и алмаза. Дополнительно за счет высокой температуры могут происходить изменения свойств поверхностных слоев обрабатываемой детали;

- Относительно высокий коэффициент трения вследствие невозможности сохранения антифрикционных добавок в процессе высокотемпературного спекания кругов на керамической связке;

- Недостаточную химическую стабильность зерен кубического нитрида бора, проявляющуюся в существенном повышении удельного расхода кубического нитрида бора (снижении коэффициента шлифования) при работе на водных растворах смазочно-охлаждающих жидкостей

- Низкую электропроводность, не позволяющую использовать абразивные инструменты на керамических связках для высокоэффективного процесса электроабразивного шлифования.

Учитывая большую энергоемкость технологического процесса получения кругов на керамических связках (температура спекания до 1350°С) и высокую стоимость абразивных порошков (особенно алмаза и кубического нитрида бора) наполнителей и связки, остро стоит вопрос значительного повышения стойкости (коэффициента шлифования) абразивных инструментов. Рост этого показателя за счет изменения химического состава связок и режимов основных технологических переделов не превышает 20-40%.

Наиболее существенного роста коэффициента шлифования можно добиться за счет работы инструментов в режиме электроабразивного шлифования (1). В процессе электроабразивного шлифования постоянный электрический ток пропускают через слой рабочей жидкости (электролита) от катода (абразивный круг) к аноду (обрабатываемая деталь). При этом на поверхности обрабатываемой детали происходит растворение поверхностных слоев (анодное растворение) с образованием тонких пленок оксидов толщиной 1,5-3,0 мкм. Последние постоянно удаляются рабочими зернами абразивного инструмента. Доля удаленного материала за счет анодного растворения достигает 75% для твердых сплавов и 95% для сталей. Это приводит по сравнению с обычным шлифованием к росту производительности шлифования в 1,5-3 раза и к почти 10-кратному повышению коэффициента шлифования.

Для осуществления электроабразивного шлифования были разработаны станки для всех видов абразивной обработки: плоское, круглое, внутреннее шлифование, заточка. Однако широкого применения, несмотря на явные преимущества, этот метод не получил из-за отсутствия качественных электропроводных абразивных инструментов в достаточном ассортименте.

Абразивные инструменты на металлических связках на сегодняшний день являются практически единственным инструментом, который принципиально можно использовать для электроабразивного шлифования (2). Основным электропроводным компонентом этих связок является медь. Абразивные инструменты на металлических связках были приняты в качестве аналога. Им присущи следующие недостатки: высокие коэффициенты трения по обрабатываемым электропроводным материалам (сталям, твердым сплавам и др.), сложность технологического процесса изготовления, дороговизна, необходимость постоянного восстановления режущей способности в процессе работы.

Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) является патент (3).

В нем сырые, только что отформованные абразивные инструменты подвергаются насыщению поровой структуры продуктами пиролиза углеродсодержащих газов. При этом порошкообразные, не связанные между собой компоненты инструментов (наполнители и рабочие зерна абразива) объединяются, консолидируются в единое целое. Основное назначение процесса насыщения - введение связующего. Получаемый по этому патенту абразивный инструмент хотя и обладает электропроводностью, но имеет низкую степень открытости структуры (по сравнению с инструментами на керамических связках) и слабое удержание абразивных зерен в инструменте.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка способа изготовления принципиально нового инструмента для электроабразивного шлифования, который будет свободен от недостатков, присущих аналогам и прототипу.

Технический результат изобретения выражается в придании абразивным изделиям на керамической связке электропроводности, достаточной для проведения процесса электроабразивного шлифования, повышении механической прочности абразивных изделий и их химической стойкости.

Это достигается тем, что способ изготовления абразивного инструмента для электроабразивного шлифования, включающий газофазное насыщение продуктами пиролиза углеродсодержащих газов, характеризуется тем, что газофазному насыщению подвергают предварительно спеченное абразивное изделие на керамической связке с обеспечением отложения электропроводных твердых продуктов пиролиза углеродсодержащих газов на стенках пор поровой структуры спеченных изделий при температуре 300-1350°С и давлении 0,0001-3000 атм.

За счет этого абразивные инструменты на керамических связках приобретают электропроводность, повышается степень механического удержания рабочих зерен в инструменте, снижается коэффициент трения и повышается теплопроводность инструментов. В отличие от прототипа в настоящем техническом решении насыщению подвергают не сырые формовки абразивных инструментов (прототип), а уже готовые спеченные абразивные инструменты и элементы. Следует отметить, что поровая структура абразивных инструментов на керамических связках практически не изменяется после их насыщения продуктами пиролиза углеродсодержащих газов.

Правильность технического решения, лежащего в основе настоящего патента, проверялась на операции электроабразивного шлифования быстрорежущей стали Р18 эльборовыми абразивными кругами на заточном станке ЗЕ642Е, модернизированным для электроабразивного шлифования.

Насыщению поровой структуры абразивных кругов (по предлагаемому техническому решению) подвергали серийные эльборовые круги на керамической связке 12А2-45 125×23×32×5×3 ЛКВ 125/100 СТ1 150 К27.

Для сравнения на фенолоформальдегидной связке были отпрессованы рабочие элементы (кольца) кругов 12А2-45 125×23×32×5×3 - прототип. При этом рабочие элементы были изготовлены из тех же порошков и в тех же соотношениях, что и серийный круг:

эльбор ЛКВ зернистостью 125/100 (68,5%),

связка К27(13%),

карбид кремния зеленый 63С (10%),

электрокорунд белый 25А (10%).

Серийные эльборовые круги на керамической связке и отпрессованные рабочие элементы кругов (прототип) одновременно загружались в реактор синтеза связки, где подвергались насыщению поровой структуры продуктами пиролиза углеродсодержащих газов при температуре 850°С и атмосферном давлении метана. Насыщение проводилось при трех экспозициях: 10, 24 и 36 часов.

Серийные эльборовые круги после насыщения подвергались пескоструйной обработке, измерению степени насыщения продуктами пиролиза углеродсодержащих газов и направлялись на изучение процесса электроабразивного шлифования.

Рабочие элементы кругов (прототип) наклеивались электропроводным эпоксидным клеем на алюминиевые корпуса, проводилась их механическая обработка, выводка торцевого и радиального биений.

Исследования проводились при плотности тока 90 А/см² и напряжении постоянного тока 8 В. Положительным полюсом являлась обрабатываемая деталь, отрицательным - абразивный круг. В зону резания подавался электролит состава: 10% KNO₂+5% NaNO ₃. Линейная скорость круга в процессе испытаний составляла 30 м/сек, скорость продольной подачи - 3 м/мин. Качественные показатели абразивных инструментов оценивали по коэффициенту шлифования, представляющему собой отношение объема сошлифованного материала к объему, потерянному кругом.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Испытуемый круг	Время насыщения, часы	Производительность шлифования, [мм3/мин]	Износ круга, [мм3]	Съем стали Р18, [мм3]	Коэффициент шлифования
Прототип №1	10	600	80	3200	40
Опытный №1	10	600	15,9	3200	201
Прототип №2	24	600	25,4	3200	126
Опытный №2	24	600	14	3200	229
Прототип №3	36	600	23,7	3200	135
Опытный №3	36	600	13,6	3200	235
Прототип №2	24	900	51,3	3900	76
Опытный №2	24	900	18,5	3900	211

При насыщении кругов в течение 10 часов круги по прототипу еще не имеют прочного сцепления эльборовых зерен из-за малого количества продуктов пиролиза углеродсодержащих газов, отложившихся в поровой структуре сырых, отформованных кругов. Об этом свидетельствует довольно низкий коэффициент шлифования. Абразивные круги по предлагаемой технологии (опытный №1) при том же 10-часовом насыщении обладают необходимой электропроводностью и показывают гораздо большее значение коэффициента шлифования - 201. Двадцатичасовое насыщение приводит к полной стабилизации свойств прототипа. Коэффициент шлифования возрастает до 126, однако он остается в два раза ниже, чем у кругов по предлагаемому техническому решению. Дальнейшее повышение времени насыщения (до 36 часов) практически не изменяет количественные значения коэффициентов шлифования. Шлифование в более жестких условиях (производительность шлифования 900 мм³/мин) приводит к еще большему преимуществу опытных образцов. Таким образом, с помощью предлагаемого технического решения впервые появляется возможность изготавливать электропроводный абразивный инструмент, лишенный недостатков существующих инструментов (аналога и прототипа), и в промышленных масштабах реализовать весьма перспективную технологию электроабразивного шлифования.

Источники информации

1. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. М., Машиностроение, 1974, 319 с.

2. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т.2. Композиционные инструментальные сверхтвердые материалы. Киев, Наук. думка, 1986, 264 с.

3. Патент РФ №2166425, Кл. В24D 3/00, С08J 5/14, 5/04, 2001 г.