Рабочие процессы алмазного шлифования сверхтвердых материалов

3.1. Характеристика сверхтвердых материалов

Введение сверхтвердых износостойких инструментов из сверхтвердых поликристаллических материалов (СТПМ) в технологические процессы обработки самых различных материалов позволило достигнуть принципиально нового высокого уровня точности, шероховатости и состояния материала поверхностного слоя изделий.

К особой группе сверхтвердых относят материалы преимущественно с ковалеитными направленными связями и микро твердостью более 20,0 ГПа.

В качестве основных признаков при классификации приняты вид сверхтвердой основы - алмазная или нитридборная - и структура продукта синтеза или спекания, так как именно эти признаки определяют эксплуатационные свойства, области применения и обрабатываемость, т.е. являются важнейшими для потребителя.

В соответствии с этим все СТПМ разделены на пять групп:

I группа - сверхтвердые поликристаллические материалы на основе алмаза (АСБ, АСПК, СВ, СКМ - Р - СНГ; Мегадаймонд - США; Новотипс - ФРГ);

II группа - сверхтвердые поликристаллические материалы на основе плотных модификаций нитридов бора (Эльбор-Р, Гексанит-Р. киборит, Бел-бор, ПТНБ - СНГ; амборит - ЮАР);

III группа - сверхтвердые поликристаллические композиционные материалы (СВАБ - СНГ; компакт - Япония);

IVгруппа - синтетические поликристаллические двухслойные композиционные материалы с рабочим слоем из алмаза (ДАП, АТП, диамет -СНГ; компакс, стратопакс - США; полиблок - ФРГ; синдит - ЮАР);

V группа - синтетические поликристаллические двухслойные композиционные материалы с рабочим слоем из плотных модификаций нитридов бора (сумиборон - Япония; амборит - ЮАР. томал - СНГ).

Проблема обрабатываемости сверхтвердых материалов своими истоками уходит в глубокую древность, когда по крупицам накапливался опыт огранки природных алмазных кристаллов в бриллианты.

Массовое производство синтетических поликристаллических алмазов и других сверхтвердых материалов потребовало отхода от традиционной технологии, базирующейся на процессе огранки с помощью чугунных дисков, шаржированных алмазным порошком.

В качестве базового прогресса для изучения обрабатываемости СТПМ и природных алмазов и изыскания на этой основе высокоэффективных способов их обработки целесообразно принять алмазное шлифование как обладающее наибольшими технологическими возможностями.

Подход в теории резания СТПМ базируется на следующем:

• физическом представлении о том, что основной съем шлифуемого СТПМ осуществляется не в результате внедрения в него алмазных зерен и их относительного перемещения, а преимущественно вследствие хрупкого микро разрушения в процессе массового высокоскоростного воздействия субмикро кромок алмазных зерен круга и создания в локальных объемах, примыкающих к пятнам упругого контакта, напряжений, превышающих предел прочности, а также вследствие волновых процессов и циклических нагрузок;

• на представлении о специфичности функционирования совокупности элементов "шлифуемый СТПМ - алмазное зерно - связка круга " как единой системы;

• на определении алмазного шлифования как структурно-чувствительного процесса управляемого взаимного микро разрушения обрабатываемого СТПМ и алмазных зерен круга.

Микро разрушение сверхтвердых поликристаллических материалов (СТПМ) в процессе алмазного шлифования по сравнению с материалами меньшей твердости имеет принципиальные отличия.

Основные закономерности разрушения СТПМ в процессе алмазного шлифования основаны на разделения объемов обрабатываемого материала с помощью элементарных актов разрушения прочных физико-химических связей между атомами. Алмаз обладает самыми высокими теоретической прочностью, поверхностной энергией и модулем упругости, что делает указанный разрыв связей затрудненным. Однако поверхностные и внутренние дефекты кристаллитов, металлические и другие включения, межкристаллитные границы и поры играют роль концентраторов напряжений и способствуют хрупкому разрушению при напряжениях, существенно ниже теоретических.

Высокоскоростное контактное воздействие зерен круга способно создавать огромное количество поверхностных дефектов в кристаллитах обрабатываемого СТПМ и порождать сложное напряженное состояние.

Субмикрорельеф алмазных зерен играет решающую роль в формировании зон хрупкого микроразрушения, определяющих основной съем в процессе высокоскоростного контактного взаимодействия равно твердых материалов, имеющих алмазную структуру (алмазные зерна круга и обрабатываемый СТПМ).

Термоактивируемые процессы играют вспомогательную роль в съеме обрабатываемого СТПМ. Суть его состоит в том, что под влиянием температуры шлифования может происходить окисление, диссоциация кристаллической решетки алмаза и плотных модификаций нитридов бора, трансформация ее в другие типы решеток с меньшей прочностью межатомных связей.

Высокоэффективные процессы алмазного шлифования СТПМ базируются на принципе непрерывного формирования энергетически неустойчивого состояния алмазных зерен и их структуры, поддержания этого неустойчивого состояния с целью предотвращения структурно-топографической приспосабливаемости рабочей поверхности кругов при обеспечении статистически неизменных оптимальных параметров режущего рельефа в течение всего периода шлифования. Алмазные зерна круга могут эффективно шлифовать СТПМ только тогда, когда сами будут разрушаться с оптимальной интенсивностью, сохраняя необходимую развитость субмикрорельефа.

Связка алмазных кругов является главным объектом дозируемого избирательного разрушающего воздействия, обеспечивающего сохранение заданного профиля режущей кромки, оптимальной высоты выступания зерен с учетом интенсивности их размерного износа, развитости их субмикрорельефа, стабилизацию физических явлений, протекающих в зоне взаимодействия круга и обрабатываемого СТПМ.

3.2. Перспективы развития алмазного процесса шлифования

Указанные новые способы шлифования, базирующиеся на принципе комплексного управления рельефом, поперечным и продольным профилем рабочей поверхности круга (РПК), обладают значительным потенциалом расширения технологических возможностей алмазного шлифования, позволяют расширить технологические возможности алмазного шлифования различных групп труднообрабатываемых материалов..

Прежде всего следует ожидать создания прецизионных и ультра прецизионных способов обработки материалов.

Способы шлифования с непрерывным комплексным управлением рельефом, продольным и поперечным РПК, разработанные применительно к обработке особой группы С'ГПМ, могут применяться при шлифовании широкой гаммы материалов от меди и жаропрочных сталей до керамики и сверхтвердых материалов.

Вопросы для самостоятельного контроля

1. Дайте оценку проблемы обрабатываемости сверхтвердых материалов,

2. Классификация сверхтвердых материалов, их основные свойства.

3. Каково значение комплексности разработки проблемы обрабатываемости сверхтвердых материалов и расширения технологических возможностей алмазного шлифования?

4. Каковы физические предпосылки эффективной обработки СТПМ алмазным шлифованием?

5. Какова роль субмикрорелъефа алмазных зерен в формировании локальных зон микроразрушения при высокоскоростном контактировании с СТПМ?