СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АБРАЗИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF PRODUCING ABRASIVE ARTICLES

Изобретение относится к производству абразивного инструмента преимущественно для финишной обработки и может быть использовано для изготовления абразивного инструмента.
Известен способ изготовления абразивных изделий [Патент РФ №2227774, B24D 3/02, 18/00, опубл. 27.04.2002 г. Бюлл. №12], при котором абразивный порошок электрокорунда формообразуют при статическом и динамическом нагружении ударной волной в пресс-форме, после чего производят термообработку, причем соблюдают следующий порядок заполнения пресс-формы: в нижнюю ее часть помещают абразивный порошок, представляющий собой смесь основной и дополнительной фракций порошков электрокорунда. В верхнюю часть пресс-формы помещают порошок основной фракции. Соотношение объемного заполнения частей пресс-формы составляет 1:(0,5÷0,7).
Однако ступенчатое заполнение пресс-формы порошками электрокорунда различной зернистости и на различных уровнях не позволяет обеспечить высокую равномерность распределения зерен и пор, т.к. ударная волна, воздействуя в начале на порошок исходной фракции, перемещает его по пресс-форме и приводит к образованию конгломератов зерен, образующих за счет зацепления так называемое «арочное соединение», формируя при этом поры различных размеров и неравномерно распределенные по объему инструмента, что снижает качество абразивных изделий.
Известен также способ изготовления абразивных изделий, при котором смесь порошков электрокорунда белого разной зернистости прессуют взрывной ударной волной и затем подвергают термической обработке при температуре 1400-1800°C в течение 2-6 часов [Патент РФ №673446, МКИ B24D 17/00, 1993].
Однако из-за постепенного уменьшения давления во фронте ударной волны по мере ее прохождения через абразивную шихту в прессовке формируется неравномерное распределение крупных и мелких зерен и пор, что не позволяет обеспечить равномерность съема материала и износа инструмента при финишной обработке на повышенных скоростях и силовых режимах и снижает качество абразивного инструмента.
Известен способ изготовления абразивных изделий, включающий формообразование абразивного изделия в две стадии, первая из которых включает статическое прессование до обеспечения плотности 0,6÷0,7 от плотности готового изделия. На второй стадии на полученную заготовку воздействуют ударной волной мощностью 0,75÷1,0 МВт/г порошка, а термическую обработку ведут при температуре 1800-1850°C в течение 2-4 часов. Вторая стадия повторяется 5-7 раз, а динамическое нагружение может быть осуществлено электрогидравлической ударной волной [авторское свидетельство СССР №1364454, МКИ B24D 18/00, 1988].
Однако многократность нагружения ударной волной не обеспечивает равномерную плотность изделия, зависящую от равномерного распределения зерен и пор по всему объему, т.к. при этом возникает большое количество микро- и макротрещин, которые ведут к неравномерному износу абразивного изделия и, соответственно, снижают его качество.
Наиболее близким является способ изготовления абразивных изделий [Патент РФ №2293013, МПК B24D 18/00, опубл. 10.02.2007, Бюлл. 4], включающий формообразование абразивного порошка электрокорунда при статическом и динамическом нагружении ударной волной с последующей термообработкой, а перед формообразованием в абразивный порошок электрокорунда дополнительно вводят порошок карбида бора в количестве 10-20% от массы абразивного порошка и зернистостью 30-50% от зернистости абразивного порошка.
Добавление порошка карбида бора приводит к дополнительному дроблению крупных зерен порошка электрокорунда и образованию значительного количества различных по размерам пор после возгонки зерен карбида бора при термической обработке, что не увеличивает равномерность распределения зерен и пор по всему объему изделия, ведет к неравномерности съема металла и износа абразивного изделия и, соответственно, снижает его качество.
Задачей изобретения является получение абразивных изделий повышенного качества с равномерным распределением абразивных зерен определенной зернистости и пор по всему объему.
Техническим результатом изобретения является повышение качества абразивных изделий.
Поставленный технический результат достигается тем, что формообразуют абразивный порошок электрокорунда при статическом и динамическом нагружении ударной волной с последующей термообработкой, перед формообразованием в абразивный порошок электрокорунда вводят порошок карбида бора в количестве 10-20% от массы абразивного порошка и зернистостью 30-50% от зернистости абразивного порошка, а также проводят термическую обработку при температуре 600-750°C в течение 45-80 мин при одновременном сообщении колебаний абразивной шихте с амплитудой 0,5-1,5 мм.
При этом термическая обработка позволяет значительно уменьшить высоту микронеровностей, так как именно на вершинах микровыступов концентрируется энергия, приводящая к их оплавлению. Эти процессы приводят к ослаблению сил сцепления между зернами электрокорунда и карбида бора, уменьшая тем самым «арочный эффект» взаимодействия между ними.
При этом сообщение колебаний абразивной шихте, засыпанной в пресс-форму, позволяет последней приобретать подвижность, что приводит к ослаблению сил сцепления между зернами. При этом они ближе подходят друг к другу, происходит их более плотная упаковка и абразивная шихта уплотняется.
Использование температуры менее 600°C не приводит к оплавлению выступов микронеровностей на поверхностях зерен карбида бора и силы сцепления между выступами микронеровностей поверхностей зерен электрокорунда и карбида бора не позволяют добиться равномерного распределения зерен и пор по всему объему абразивной шихты из-за случайным образом образующихся «арок». В результате готовое абразивное изделие не обладает высоким качеством, т.к. не может быть использовано в качестве абразивного инструмента на финишных операциях при высоких скоростных и силовых режимах обработки.
Использование температуры выше 750°C приводит к полному оплавлению выступов микронеровностей и частичному оплавлению поверхностей зерен карбида бора, что приводит к образованию прочных соединений последних с зернами электрокорунда. Такие соединения увеличивают количество случайно образовавшихся «арок», усиливая тем самым «арочный эффект», не позволяющий сформировать равномерное распределение зерен электрокорунда, карбида бора и пор во всем объеме абразивной шихты. Это не приводит к повышению качества готового абразивного изделия, т.к. не позволяет использовать его в качестве абразивного инструмента на финишных операциях при высоких скоростных и силовых режимах.
Проведение термической обработки в течение времени менее 45 минут не позволяет выступам микронеровностей на поверхностях зерен карбида бора в достаточном количестве оплавляться и значительное количество неоплавленных выступов микронеровностей последних сцепляются с выступами микронеровностей поверхностей зерен электрокорунда, образуя случайные конгломераты - «арки», не позволяющие создать в объеме абразивной шихты равномерное распределение зерен электрокорунда, карбида бора и пор. При этом готовое абразивное изделие не обладает высоким качеством, т.к. его невозможно использовать на финишных операциях с высокими скоростными и силовыми параметрами.
Проведение термической обработки в течение времени более 80 минут приводит к полному оплавлению всех выступов микронеровностей поверхностей зерен карбида бора и частичному оплавлению их поверхностей. Это приводит к формированию значительного количества случайных конгломератов - «арок» при сплавлении поверхностей зерен карбида бора и электрокорунда.
Это не приводит к равномерному распределению зерен электрокорунда, карбида бора и пор во всем объеме абразивной шихты. Готовое абразивное изделие не обладает высоким качеством, т.к. не позволяет его использовать в качестве абразивного инструмента на финишных операциях при повышенных скоростных и силовых нагрузках.
Сообщение колебаний абразивной шихте с амплитудой менее 0,5 мм не позволяет в достаточной мере равномерно заполнять поры между зернами электрокорунда и карбида бора, поскольку силы сцепления между выступами микронеровностей их поверхностей достаточно велики из-за большого количества неровностей. Это приводит к тому, что неравномерность распределения зерен электрокорунда, карбида бора и пор во всем объеме абразивной шихты достаточно высока, что не позволяет получить готовое абразивное изделие высокого качества, т.е. его невозможно использовать в качестве абразивного инструмента при финишной обработке на высоких скоростных и силовых режимах.
Использование амплитуды колебаний более 1,5 мм приводит к тому, что абразивная шихта начинает терять контакт с рабочим органом (вибратором), нарушаются связи между зернами, в абразивной шихте возникают циркуляционные потоки, происходит так называемое «бурление», т.е. шихта приходит в состояние «кипения». Это приводит к значительному разрыхлению абразивной шихты и уменьшению ее плотности, что вызывает расфракционирование и интенсивное перемешивание зерен различной фракции абразивной шихты.
При этом значительно нарушается равномерность распределения зерен и пор по всему объему изделия, что не позволяет использовать его в качестве абразивного инструмента на высоких скоростных и силовых режимах финишной обработки.
Предлагаемый способ изготовления абразивных изделий включает приготовление шихты из порошка электрокорунда белого и карбида бора, шихту подвергают термической обработке при температуре 600-750°C в течение 45-80 мин, при одновременном сообщении колебаний абразивной шихте с амплитудой 0,5÷1,5 мм, последующее статическое нагружение и динамическое нагружение ударной волной с последующей термообработкой. Порошок карбида бора берут в количестве 10-20% от массы абразивного порошка электрокорунда и зернистостью 30-50% от зернистости порошка электрокорунда, а динамическое нагружение осуществляют ударной волной мощностью 0,65 МВт/г массы порошка электрокорунда с последующей термообработкой при температуре 1800°C в течение 4 ч.
3
Сообщение колебаний абразивной шихте проводится на виброустановке УВГ - 200 (объем рабочей камеры - 200 дм, одна рабочая камера, амплитуда колебаний 0-7 мм, мощность электродвигателя привода вибратора - 4,5 кВт, частота колебаний - 33 Гц), а предварительная термическая обработка перед формообразованием проводится в обычной муфельной электропечи.
Испытание абразивного изделия, полученного описанным способом, проводили при обработке стали 40X в нормализованном состоянии (HB 229) методом хонингования при следующих режимах: окружная скорость хонголовки - 60 м/мин, скорость ее возвратно-поступательного движения - 18 м/мин, давление разжима брусков - 0,4 МПа.
Пример 1. Для изготовления абразивного изделия приготавливают абразивную шихту из порошков электрокорунда и карбида бора, причем количество порошка карбида бора в шихте составляет 10% от массы абразивного порошка электрокорунда, а зернистость его составляет 30% от зернистости порошка электрокорунда, проводят ее термическую обработку при температуре 600°C в течение 45 минут при одновременном сообщении колебаний абразивной шихте с амплитудой 0,5 мм. Затем производят статическое прессование и, не снимая статической нагрузки, проводят динамическое нагружение электрогидравлической ударной волной. После прессования заготовку извлекают из пресс-формы, помещают в электровакуумную печь и термообрабатывают. Полученное абразивное изделие имеет предел прочности на сжатие 70 МПа, при хонинговании на указанных режимах производительность обработки по сравнению с известным инструментом составляет 134%, износ уменьшился в 1,51 раза, среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности Ra=0,32 мкм, что меньше после обработки известным инструментом в 1,97 раза. Исследование шлифов предлагаемого абразивного инструмента показало, что расстояние между порами лежит в пределах 15÷45 мкм, а среднее расстояние - 25 мкм.
Пример 2. Для изготовления абразивного изделия приготавливают абразивную шихту из порошков электрокорунда и карбида бора, причем количество порошка карбида бора в шихте составляет 20% от массы абразивного порошка электрокорунда, а зернистость его составляет 50% от зернистости порошка электрокорунда, проводят ее термическую обработку при температуре 750°C в течение 80 минут при одновременном сообщении колебаний абразивной смеси с амплитудой 1,5 мм. Затем производят статическое прессование и, не снимая статической нагрузки, проводят динамическое нагружение электрогидравлической ударной волной. После прессования заготовку извлекают из пресс-формы, помещают в электровакуумную печь и термообрабатывают. Полученное абразивное изделие имеет предел прочности на сжатие 73 МПа, при хонинговании на указанных режимах производительность обработки по сравнению с известным инструментом составляет 141%, износ уменьшился в 1,57 раза, среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности Ra=0,25 мкм, что меньше после обработки известным инструментом в 2,52 раза. Исследование шлифов предлагаемого абразивного инструмента показало, что расстояние между порами лежит в пределах 15÷45 мкм, а среднее расстояние - 35 мкм.
Примеры получения абразивных изделий приведены в таблице 1.
Таблица 1
Примерыпараметр
Примерыпараметр
Зернистость порошка карбида бора в % от зернистости порошка электрокорунда
Температура термообработки, °C
Длительность термообработки, мин
Амплитуда колебаний, мм
Предел прочности на сжатие, МПа
Производительность обработки, %
Уменьшение износа инструмента, крат
Параметр Ra обработанной поверхности, мкм
Среднее расстояние между порами по объему, мкм
Пределы расстояний между порами, мкм
1. 25А 12Н СТ1К5
-
-
-
-
-
55
100
1,0
0,63
30
20÷80
2. Пример 1
10
30
600
45
0,5
70
134
1,51
0,32
25
15÷45
3. Пример 2
20
50
750
80
1,5
73
141
1,57
0,25
35
15÷45
4. Пример 3
5
20
500
35
0,3
58
125
1,21
0,48
50
5÷115
5. Пример 4
5
20
500
35
1,7
64
121
1,40
0,41
55
10÷110
6. Пример 5
5
20
500
90
0,3
66
115
1,33
0,52
45
5÷125
7. Пример 6
25
60
850
35
0,3
56
120
1,37
0,44
65
15÷140
8. Пример 7
25
60
850
35
0,7
61
110
1,15
0,38
60
10÷130
9. Пример 8
25
60
850
90
0,3
63
128
1,28
0,50
70
15÷120
Как следует из таблицы, оптимальными параметрами способа технологии изготовления абразивного изделия повышенного качества являются следующие:
- температура термообработки: 600-750°C;
- длительность термообработки: 45-80 мин;
- амплитуда колебаний: 0,5-1,5 мм.