Алмазное шлифование сверхтвердых неметаллических материалов эффективным способом

УДК 621.921

Д-р техн. наук Р. С. Турманидзе, Д. С. Буцхрикидзе, Т. С. Апциаури

Грузинский технический университет, г. Тбилиси, Грузия

АЛМАЗНОЕ ШЛИФОВАНИЕ СВЕРХТВЕРДЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЭФФЕКТИВНЫМ

СПОСОБОМ

Были рассмотрены проблемы, связанные с обрабатываемостью твердых и хрупких, труднообрабатываемых неметаллических материалов во время шлифования алмазным кругом прогрессивным методом и влияния ориентации сапфирного монокристалла на выходные параметры обработки.

Ключевые слова: алмазное шлифование, пьезокварц, сапфир, нарушенный слой, биосовместимость.

Появление новых инструментальных и ряда конструкционных материалов с повышенными значениями твердости, прочности на изгиб, предела выносливости и износостойкости при повышенных температурах, ставит задачу создания наиболее подходящих способов механической обработки и инструментального материала для их эффективной обработки с требуемой точностью и качеством поверхности.

Шлифование кругами, а также, доводка и полировка свободным абразивом являются практически единственными методами обработки деталей из этих материалов. Шлифование связанными абразивными кругами обеспечивает высокую скорость съема материала, но недостаточное качество обработанной поверхности. Доводка дает высокую размерную и геометрическую точность, но имеет низкую производительность и не отвечает современным требованиям к экологии производства.

Растущие требования к точности и качеству поверхности деталей приводят к необходимости совершенствования существующих процессов и оборудования, применяемого в обрабатывающей промышленности.

В свете вышерассмотренного, одновременное получение высокой производительности, характерной для шлифования связанными абразивными кругами, и качества поверхности на уровне доводки свободным абразивом является важной проблемой и обеспечивается предложенным про-гресивным способом алмазного шлифования [1].

Предложенный способ алмазного шлифования предназначен для высокоэффективной обработки плоских поверхностей деталей относительно малых размеров из твердых и хрупких труднообрабатываемых неметаллических материалов. Метод обеспечивает малые значения толщин среза, низкие контактные температуры,

сохраняет точность формы алмазного круга и дает большие значения площади среза. Все это позволяет повысить скорость съема материала и качество шлифованной поверхности. Кинематика способа обеспечивает практически равномерный износ вдоль всей ширины шлифованного круга.

Увеличение ширины торцового шлифовального круга повышает производительность процесса, в то время как равномерный износ алмазного шлифовального круга уменьшает расход алмаза и снижает время и частоту правки круга.

Обрабатываемость материалов изучалась в диапазоне скоростей от 1 до 12 м/с и при давлениях от 30 до 1500 кПа. Были испытаны круги на металлической, керамической и органической связках с размерами зерен 63/50 мкм и менее.

Все выходные параметры — производительность (б), глубина нарушенного слоя (Н) и шероховатость (Яа) поверхности изучались методом планирования эксперимента как функции входных параметров. Для каждого из выходных параметров было построено семейство кривых в зависимости от входных параметров, т. е. скорость (V), давление (Р), размер зерна (ф, материал связки и процентная концентрация абразивов в круге. На рис. 1 представлены результаты обработки пьезокварца предложенным способом шлифования.

Независимо от материала связки производительность всегда увеличивается с ростом скорости резания и давления. Такой же эффект получен для глубины нарушенного слоя и шероховатости поверхности для испытуемых кругов на металлической (М1) и органической (МО 12) связках. Чем выше скорость и давление, тем больше глубина нарушенного слоя.

Размер зерна оказывает большое влияние на все выходные параметры процесса шлифования. Скорость съема материала повышается с увеличе-

© Р. С. Турманидзе, Д. С. Буцхрикидзе, Т. С. Апциаури, 2013 - 116 -

л н о о Я £ = § 8 В"

ч: 3  -

в 2

м

8

О

&

И

:=

я и я §

« 7 = := ^ 8 & “

<й и

я

У=1т/з,р=100кРа

У=6т/Б,р=550кРа  У=11т/э, р=1000кРа

— -

— Г-У 1  1=1   Г~ш

25

20

15

10

5

0

г~д—1

0.4 = 0.3 *

Ш, 0.2 га

0.1

0

9

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

М1 М012 СК6

28/20 5/3 28/20 60/40 28/20

100% 25% 75% 125%

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рис. 1. Скорость съема материала и параметры качества поверхности при обработке пьезокварца методом НПШ

нием размеров зерен. Меньшие зерна уменьшают глубину нарушенного слоя и шероховатость поверхности. Качественно такие же результаты были получены для гаммы других исследуемых материалов.

Режимы обработки, скорость съема материала и параметры качества поверхности для гаммы материалов представлены в таблице 1.

Одним из ярких представителей рассматриваемого класса твердых и хрупких неметаллических материалов является искусственный кристалл сапфира, который отличается высокой чистотой по химическому составу, твердостью, износостойкостью и долговечностью при работе в парах трения. В связи с этим кристалл сапфира, как наиболее биосовместимый конструкционный материал с человеческим организмом, является особенно привлекательным для такой области применения, как медицина. Подразумевается применение сапфира в имплантологии, в частности, для изготовления сферической головки эндопротеза тазобедренного сустава человека.

К этим изделиям предъявляются особо высокие требования по точности формы и качеству поверхностей. Однако сапфир является анизот-

ропным материалом, что создает определенные трудности при механической обработке для достижения требуемых высоких уровней точности и качества. Поэтому, экспериментальные исследования влияния анизотропии кристалла сапфира на его обрабатываемость является актуальной проблемой.

В таблицах 2-4 даны результаты экспериментальных исследований по всем выходным параметрам для исследуемых алмазных кругов.

Анализ данных по параметру # показывает, что для всех испытываемых кругов ориентация (0001) характеризуется наименьшей производительностью, чем остальные.

Для всех испытываемых алмазных кругов соотношение значений производительности находится в пределах: Ч0001/Ч1010= 0,25...0,5.

Разница между ориентациями (1010) и (1012) невелика, соотношение лежит в пределах:

^1012/^1010 = °,75."1.

На всех ориентациях максимальную производительность показывает алмазный круг на керамической связке СК6, # = 130...300 мкм/мин, Также, максимальна величина соотношения:

^0001/^1010 = 0,4...0,5.

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2013

- 117 -

Таблица 1 — Режимы обработки, скорость съема материала и параметры качества поверхности

Обрабатываемый материал Алмазный шлифовальный круг Режимы Производительность £1т см’/мин Шероховатость Яа, мкм Нарушенный слой Н, мкм

Зернистость Связка Скорость рез. V, м/с Давление Р, кПа

Пьезокерамика 28/20 М1 10 300 30 0,39

28/20 СК6 10 300 30 0,40

28/20 М012 10 300 4 0,29

Монокристаллы

Монокристал-лический кремний 28/20 М1 10 1000 7 - -

- - 6 550 - 0,34 О© О

28/20 СК6 10 1000 10 - -

- - 1 100 - 0,47 10...15

14/10 В1 10 1000 1,6 - -

- - 1 100 - 0,04 1...4

Арсенид галия 28/20 МО 12 6 550 1,9 - -

- - 1 100 - 0,30 6...8

Оптическое стекло

К8 28/20 М1 6 550 1,9 - -

- - 1 100 - 0,5 7,9

28/20 СК6 6 550 0,8 - -

- - 1 100 - 0,25 -

28/20 М012 6 550 0,3 - -

- - 1 100 - 0,12 4...6

Твердые сплавы

ВК8 28/20 М1 6 550 0,4 0,11 -

- 28/20 С Кб 6 550 2,2 0,16 -

28/20 М020 6 550 1,6 0,15 -

- 28/20 М1 6 550 0,8 0,14 -

Т15К6 28/20 СК6 6 550 1,5 0,12 -

- 28/20 М020 6 550 2,4 0,18 -

Сверхтвердые композиты

Композит 05 28/20 С Кб 6 1000 0,08 0,18 -

Композит 10 28/20 СКб 6 1000 0,04 0,03 -

Инструмент данной характеристики отличается стабильностью в работе и самозатачиванием. Общая картина влияния V и р на д на кругах других характеристик практически остается неизменной.

Надо отметить, что характеры зависимостей 9 = / (V) и q = / (р) при обработке сапфира хорошо коррелируют с данными по обработке подобных материалов, например пьезокварца.

Качество поверхности оценивалось высотой неровностей шероховатости поверхности Лг, мкм, относительной опорной длиной профиля на уровне 03—гр0э% и глубиной нарушенного трещиноватого слоя Н, мкм.

Размер зерна в значительной степени влияет на Лг, чем концентрация — К. С увеличением

Лг увеличивается в пределах 11,5 класса. При этом на ориентации (0001) Лг имеет наименьшие значения, затем на ориентациях (1012) и (1010).

По этому параметру наилучшие результаты дают круги на органических связках (табл. 2—4). По сравнению с кругами на металлической и керамической связках, Лг имеет на порядок низкие значения. Эта картина сохраняется для всех ориентаций сапфира.

Наилучшие результаты по этим показателям качества поверхности дают круги на органических связках: ВС-11, органическая специальная, 1р примерно в 1,5 раза выше, а Н — 3...5 раз меньше, чем на кругах с металлическими и керамическими связками.

Скорость съема материала и параметры качества обработанной поверхности при разных ориентациях кристалла сапфира

Таблица 2

Ориентация кристалла сапфира

№ Характеристика алмазного инструмента {0001}

п/п Выходные паї эаметры

<7, мкм/мин Я,, мкм К, % Н, мкм

1 АСМ 28/20, МШ-ТО 100 % 55...60 2,5...3 20...25 -

2 АСМ 28/20, СК6 100% 130...150 2...2,5 20...25 8...10

3 ЛСМ 28/20, С Кб 50 % 120...130 2...2,5 20...25

4 АСМ 28/20, ВС-11 100 % 30...35 0,25...0,3 30...35 6...8

5 АСМ 14/10, ВС-11, 100% 15...20 0,2...0,25 35...40 3...5

6 АСМ 14/10, связка органич. спец. 25 % 5...8 0,15...0,2 40...45 2...3

Таблица 3

Ориентация кристалла сапфира

№ Характеристика алмазного инструмента {1012}

п/п Выходные параметры

д, мкм/мин К„ мкм % Н, мкм

1 АСМ 28/20, МШ-ТО 100% 150...170 3...3.5 15...20 -

2 АСМ 28/20, СК6 100% 230...250 2,5...3 15...20 12...14

3 АСМ 28/20, СК6 50% 180...200 2,5...3 15...20 -

4 АСМ 28/20, ВС-ІІ 100% 100...110 0,8 1 25...30 10...12

5 АСМ 14/10, ВС-11, 100% 35...40 0,6...0,8 30...35 8...10

6 АСМ 14/10, связка органич. спец. 25% 15...20 0,3...0,4 30...35 3...5

Таблица 4

Ориентация кристалла сапфира

№ Характеристика алмазного инструмента {1010}

п/п Выходные параметры

д, мкм/мин мкм іт % Н, мкм

1 АСМ 28/20, МШ-ТО 100 % 180...200 3...3,5 15...20 -

2 АСМ 28/20, СК6 100 % 280...300 2,5...3 15...20 12...14

3 АСМ 28/20, СК6 50 % 200...220 2,5...3 15...20 -

4 АСМ 28/20, ВС-ІІ 100% 110...120 1,3...1,5 25...30 10...12

5 АСМ 14/10, ВС-11, 100% 40...45 0,8...1 30...35 8...10

6 АСМ 14/10, связка органич. спец. 25 % 20...25 0,3...0,4 30...35 3...5

Для изучения морфологии поверхности были сняты микрофотографии на сканирующем электронном микроскопе. Анализ морфологии обработанной поверхности еще раз доказывает правоту вышесказанного.

Круги на керамической и металлической связках дают взрыхленную поверхность со сколами и выколами. Поверхности образцов, обработанных

кругами на органической связке, отличаются строением поверхности (рис. 2). Отчетливо видны следы резания материала путем пластической деформации (снятие мельчайших частиц в виде стружки) вместе с хрупким разрушением материала.

Соотношение площадей участков поверхности, полученных двумя разными механизмами разрушения материала, примерно равно единице.

Рис. 2. Микрофотографии поверхностей экспериментальных образцов сапфира: а — ориентация 0001 алмазный круг — АСМ 14/10, ВС-11, 100 %, режимы резания: V = 3 м/с, Р = 750 кПа; б — ориентация 1010 алмазный круг — ACM 14/10, связка BC-11, 100 %, режимы резания: V = 3 м/с, Р = 750 кПа

а

ТББЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2013

- 119 -

Выводы

1. Для каждого исследуемого материала определены оптимальные условия механической обработки по выбранному критерию оптимизации — производительности или параметров качества поверхности.

2. Предложенный прогрессивный способ может заменить трудоемкие и экологически нежелательные операции доводки свободным абразивом в технологическом процессе механической обработки конкретного изделия из исследуемых материалов с достижением как высокой производительности (в десятки раз), так и показателей качества поверхности.

3. Характер влияния факторов процесса шлифования прогрессивным способом (V, P, d3, К%, материал связки) на выходные параметры для исследуемых материалов одинаковый.

Список литературы

1. Technological Possibilities of Low-Temperature Precision Grinding Process when Machining

Hard and Brittle Materials / [B. I. Batiashvili, D. S. Butskhrikidze, G. L. Mamulashvili etc.] . Key Engineering Materials. — 2002. — Р. 149—156.

2. R. Turmanidze Workability of the Sapphire Qystal of Medical Purpose and Scheme of Formation of Spherical Surface of Increased Precision / [R. Turmanidze, D. Butskhrikidze, M. Beridze]. Fifth international conference «Materials and Coatings for Extreme Performances : Investigations. Applications. Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization». 22—26 September. — 2008. Big Yalta. Zhukovka. Crimea. Ukraine.

3. Grindability of single crystal sapphire in medical use and the scheme of forming highly precise spherical heads / [R. Turmanidze. O. Mgaloblishvili. D. Butskhrikidze. M. Beridze]. The 66th International Congress of Precision Machining ICPM 2011. Liverpool John Moores University. 13th—15th September 2011. Day 1. Liverpoo.

Поступила в редакцию 24.09.2012

Турманідзе Р.С., Буцхрикідзе Д.С., Апціаурі Т.С. Алмазне шліфування надтвердих неметалічних матеріалів ефективним засобом

Було розглянуто проблеми, пов’язані з оброблюваністю твердих і крихких, важкооброб-ляємих неметалічних матеріалів під час шліфування алмазним кругом прогресивним методом і впливу орієнтації сапфірового монокристалу на вихідні параметри обробки.

Ключові слова: алмазне шліфування, сапфір, п ’єзокварц, порушений шар, біосумісність.

Turmanidze R., Butskhrikidze D. Aptsiauri T. Efficient diamond grinding of superhard non-metallic materials

The paper considers problems related to machinability of hard and brittle hard-to-machine non-metallic materials during grinding with diamond wheel involving advanced method, and effect of sapphire monocrystal orientation on machining output parameters.

Key words: diamond grinding, piezoquartz, sapphire, disturbed layer, biocompatibility.