CC BY
129
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.
