Масса с полимерным связующим для изготовления алмазного инструмента для работы с наложением электрического тока и в обычном режиме
PASTE WITH POLYMERIC BINDER FOR DIAMOND TOOL MANUFACTURING WITH ELECTRIC CURRENT AND IN NORMAL MODE

Изобретение относится к производству алмазных инструментов, в частности к производству алмазных кругов на полимерных связках для обработки труднообрабатываемых материалов с наложением электрического тока и в обычном режиме.
Одним из важнейших путей решения проблемы обработки деталей из труднообрабатываемых материалов является разработка рабочего слоя шлифовальных кругов, представляющего собой многокомпонентную смесь, содержащую алмазные порошки и связку, состоящую из связующего материала преимущественно на полимерной основе и различных наполнителей, придающих шлифовальному инструменту специфические свойства и обеспечивающих требуемую технологическую среду в зоне обработки, позволяющих эффективно обрабатывать различные материалы, в том числе труднообрабатываемые, например твердые сплавы, керамика, материалы из карбида кремния, карбида вольфрама, кубического нитрида бора и т.п., при режимах, обеспечивающих повышенную производительность.
Связка должна обеспечивать высокую режущую способность инструмента, наиболее полное использование абразивных зерен, малое тепловыделение, низкий коэффициент трения, исключать схватывание с обрабатываемым материалом. От связки зависит механизм резания, характер взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом, адгезионные и диффузионные процессы, протекающие в зоне резания.
Значительная часть энергии шлифования преобразуется в тепловую энергию, воздействующую на поверхностный слой обрабатываемого материала, при этом локальная средняя температура тонкого поверхностного слоя может достигать 400-800°С. Тепло- и термостойкость полимерных связующих значительно ниже температур, возникающих в зоне резания. Так теплостойкость полимерных материалов, наиболее часто используемых в качестве связующего материала, не превышает 220-400°С. В связи с этим одним из основных путей повышения работоспособности шлифовальных кругов на полимерном связующем для обработки с наложением электрического тока и обработки в обычных режимах на полимерном связующем является повышение их тепло-, электропроводности и термостойкости. Для этого в состав массы, из которой изготавливается рабочий слой инструмента, вводят металлы или сплавы, обладающие высокой электро- и теплопроводностью, которые способствуют отведению тепла из зоны резания и позволяют эксплуатировать их в режиме электрохимического шлифования.
Известны абразивные массы для изготовления шлифовальных кругов, содержащие абразив, полимерное связующее и в качестве металлического наполнителя - серебро в до 10-25% об. (до 60% вес.) зернистостью 0,9-1,4 мкм (SU №482937, B24D 3/34, 1968, US №3547609, кл B24D 18/00, 1970). Серебро сообщает инструменту теплопроводные и электропроводные свойства. Недостатком абразивной массы является использование в качестве металлического наполнителя дорогостоящего металла, что существенно удорожает инструмент.
Известна абразивная масса для изготовления шлифовального инструмента, содержащая алмаз, полимерное связующее и металлический наполнитель, выбранный из группы медь, серебро, который содержится в шихте в количестве 70-85% вес. (67% об.) (US №3283448, кл. B24D 3/34, 1966). Медь и серебро вводят для придания абразивной массе тепло- и электропроводность. Большое количество металлического наполнителя в шихте необходимо для отвода тепла и обеспечения контакта частиц металла друг с другом, что позволяет эксплуатировать круги в электрохимическом режиме.
Однако шлифовальные инструменты, изготовленные из шихты такого состава, в процессе обычного шлифования быстро засаливаются, т.к. перечисленные металлы достаточно пластичны и требуют частой правки инструмента, кроме того, они обладают высокой электропроводностью (малым потенциалом пробивного заряда) и, следовательно, имеют большой расход алмазов. При электролитическом шлифовании инструменты такого состава быстро изнашиваются, так как большое количество металлических порошков приводит к интенсивному искрению между обрабатываемым материалом и шлифовальным кругом. Это приводит к интенсификации процесса эрозии как обрабатываемого материала, так и поверхности инструмента, что не плохо с точки зрения производительности, но приводит к значительным потерям алмаза.
Известна абразивная масса для изготовления шлифовальных кругов, в состав которой входят алмаз, полимерное связующее и наполнители: мелкозернистый абразивный порошок с более низкой твердостью, чем алмаз, и металлический наполнитель, выбранный из группы: медь, алюминий, их смесь или сплав в количестве 20-70% вес. (US №3899307, кл. B24D 3/34, 1974, DE №1571211, B24D 3/34, 1970). Металлические наполнители вводят в шихту для регулирования свойств рабочего слоя инструмента по тепло- и электропроводности, а мелкозернистый абразивный наполнитель - для обеспечения самозатачиваемости инструмента.
Известна масса для изготовления инструмента на полимерной связке, включающая два вида металлического порошка с различным электродным потенциалом, в частности медь и алюминий. Обработку ведут в присутствии слабощелочной охлаждающей жидкости (JP №2005111615, кл. B24D 3/00, 2005). Разнородные металлы - медь и алюминий, появляющиеся на рабочей поверхности круга, создают гальваническую пару, в результате чего ослабевает их удержание и они выпадают из связки, образуя на поверхности круга поры, обеспечивая самозатачиваемость и охлаждение инструмента.
Однако известно, что самозатачиваемость сопровождается выпадением затупившихся алмазных зерен из связки, чрезмерное выпадение которых ведет к значительному уменьшению их количества на рабочей поверхности круга и в результате к снижению производительности обработки. Во избежание интенсивного выпадения алмазов самозатачиваемость не должна быть выше определенного предела.
Наиболее близким техническим решением является шихта с полимерным связующим, включающая порошок меди, олова и карбида бора (связка В1-02). Медь содержится в шихте в количестве 20-50 об. %, олово - 10-30 об. % (SU №220089, B24D, 1966. Алмазосодержащая шихта имеет хорошую прессуемость, позволяющую получать плотные прессовки, в которых прочно удерживаются компоненты шихты. Медь повышает теплопроводность и термостойкость связки, олово способствует облегчению диспергирования обрабатываемого материала. Карбид бора, являясь абразивным материалом, охрупчивает связку и производит механическое истирание связки, способствуя выпадению затупившихся алмазных зерен. Для инструмента характерна высокая режущая способность. Инструменты на указанной связке показывают хорошие результаты при обработке труднообрабатываемых материалов и при работе с повышенным съемом.
Недостатки связки заключаются в следующем. Инструменты в основном изготавливаются методом горячего прессования в пресс-формах. В процессе горячего прессования при температуре 180-190°С часть олова в результате его пластического течения выдавливается через зазоры пресс-формы. Поэтому в готовом инструменте изменяется соотношение компонентов массы и в разных партиях можно получать инструмент с разбросом его рабочих характеристик. Кроме того, частицы карбида бора имеют более высокий коэффициент трения, чем связка, и на самом деле выделяют достаточно много тепла, увеличивая скорость разрушения связки. В результате может протекать процесс недостаточно контролируемого самозатачивания инструмента. Кроме того, карбид бора является дефицитным, дорогостоящим абразивным материалом, особенно при использовании мелкозернистых порошков. Связка содержит электропроводный металл - медь, по-сути, позволяя использовать инструмент для электрохимического шлифования. Однако, как показала практика, использование такого инструмента при обработке в режиме с наложением электрического тока мало эффективно.
Технической задачей изобретения является создание алмазного шлифовального инструмента со стабильными рабочими характеристиками, с оптимальной самозатачиваемостью, с высокими эксплуатационными характеристиками при обработке труднообрабатываемых материалов, при работе в режиме обычного шлифования и обеспечение возможности эффективной работы инструмента в режиме электрохимического шлифования.
Технический результат достигается тем, что масса с полимерным связующем для изготовления алмазного инструмента, содержащая алмаз, медь, олово и полимерное связующее, дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, об. %:
алмаз
12,5-37,5
медь
15,5-35,5
олово
7,5-15,0
алюминий
3,75-15,0
полимерное связующее
остальное,
при этом алюминий и олово содержатся в массе в соотношении от 1:1 до 1:2.
Сущность изобретения заключается в следующем. При введении в массу алюминия в процессе горячего прессования алюминий и олово (как легкоплавкие компоненты) частично взаимодействуют по перитектической реакции, повышая температуру плавления сплава олова до 600°С, что исключает выдавливание олова из пресс-формы при температуре изготовления инструмента. Кроме того, медь и алюминий на поверхности инструмента образуют в зоне обработки гальваническую пару, вызывающую разрушение алюминия с образованием пор и обеспечивая самозатачиваемость инструмента, при которой в известных технических решениях алмазные зерна при возникновении даже незначительной площадки износа под действием сил резания выпадают. Олово воздействует на обрабатываемый материал как поверхностно-активное вещество и способствует снижению прочности микроповерхностного слоя обрабатываемого материала, уменьшению поверхностной энергии разрушения этого микроповерхностного слоя и соответственно облегчению диспергирования труднообрабатываемых материалов. При этом для съема труднообрабатываемых материалов с поверхности изделия требуются меньшие силы резания, которые в том числе действуют и на алмазные зерна. При меньших силах резания сокращается интенсивное выпадение алмазных зерен и создаются условия для более длительного их удерживания полимерным связующим, пока площадка износа на алмазных зернах не достигнет критического значения. В результате при обработке труднообрабатываемых материалов медь, олово и алюминий создают условия для эффективного шлифования и оптимального самозатачивания инструмента.
Вместе с тем введение алюминия в виде окисленных порошков (поверхность алюминия всегда окислена) несколько уменьшает электропроводность связки, однако увеличивает плотность тока - пробойный заряд, что создает условия для использования инструмента в электрохимическом режиме при заданной эрозии алмазоносного слоя, регулируемой содержанием алюминия в связке.
Алмазные шлифовальные инструменты изготавливаются методом горячего прессования. Все компоненты массы смешиваются в любом известном смесителе. Полученную массу засыпают в пресс-форму и подвергают горячему прессованию на гидравлическом прессе при давлении 300-500 МПа. Температура горячего прессования зависит от полимерного связующего. В качестве связующих материалов могут быть использованы такие полимерные материалы, как наиболее распространенные фенолоформальдегидные смолы, температура полимеризации которых составляет 170-190°С; полиамидные смолы с температурой полимеризации - до 300°С, полиимидные смолы с температурой полимеризации - 350-400°С и др.
В качестве алмазного порошка могут быть использованы любые алмазные порошки, в том числе синтетические алмазные порошки различных марок. Зернистость и прочность алмазных порошков определяется требуемым качеством обработки и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. Содержание алмазного порошка колеблется в широких пределах. Общепринятым содержанием алмазного порошка в инструменте составляет 12,5-37,5 об. %
Металлические порошки - медь, олово, алюминий берут преимущественно зернистостью менее 60 мкм. Количество металлических порошков выбрано таким образом, чтобы обеспечить инструменту требуемые теплопроводные, электрические и механические свойства, необходимую самозатачиваемость инструмента, способствующие качественной обработке труднообрабатываемых материалов с необходимой производительностью и экономичностью. Шлифовальные круги могут применяться как при обычном шлифовании, так и при шлифовании с наложением электрического тока.
Выбранное соотношение количества олова и алюминия от 1:1 до 1:2 обеспечивает повышение температуры плавления олова, при которой олово не вытекает из пресс-формы при горячем прессовании, т.е. масса становится технологичной.
Из предложенной массы изготавливали алмазные шлифовальные круги следующих составов.
Пример 1
Брали алмазные порошки марки АС6, зернистостью 100/80 мкм в количестве 12,5 об. %, порошки меди - 35 об. %, олова - 7,5 об. %, алюминия - 3,75 об. %, связующее - фенолоформальдегидное - остальное.
Пример 2
Брали алмазные порошки марки АС6, зернистостью 100/80 мкм в количестве 25 об. %, порошки меди - 28 об. %, олова - 10,0 об. %, алюминия - 7,5 об. %, связующее - фенолоформальдегидное - остальное.
Пример 3
Брали алмазные порошки марки АС6, зернистостью 100/80 мкм в количестве 37,5 об. %, порошки меди - 15 об. %, олова - 15,0 об. %, алюминия - 15,0 об. % связующее - фенолоформальдегидное - остальное.
Изготавливали шлифовальные круги горячим прессованием: давление прессования 300-500 МПа, температура прессования 180±10°С. Время выдержки при максимальной температуре горячего прессования - 15 мин. После охлаждения круги вынимали из пресс-формы, осуществляли механическую обработку для выведения биения и вскрытия алмазного слоя.
Визуальный осмотр показал отсутствие олова на поверхности кругов и пресс-форм, что говорит об исключения выдавливания олова из связки инструмента.
Кругами затачивали резцы, содержащие режущие элементы из кубического нитрида бора, закрепленные на стальной державке, на операции заточки угла в плане в режиме обычного шлифования. До полного износа алмазных кругов было заточено в режиме обычного шлифования 860-940 резцов, кругами на известной связке В2-01 затачивали 630-640 резцов. В режиме электрохимического шлифования было заточено 1065-1090 твердосплавных резцов. Круги на известной связке В2-01 из-за недостаточной электропроводности были малоэффективны.
Таким образом, введение в состав массы шлифовальных кругов, содержащих медь и олово, алюминия при заданном его количестве позволило исключить вытекание олова из связки, использовать инструмент при обработке труднообрабатываемых материалов в режиме электрохимического шлифования, а при работе в режиме обычного шлифования - значительно повысить стойкость инструмента.