СПОСОБ ПРАВКИ АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК B24B53/00 

Изобретение относится к производству и эксплуатации абразивных инструментов из сверхтвердых материалов, например, алмазных порошков, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении или очистке от засаливания различных видов абразивных инструментов на металлических, керамических или органических связках (шлифовальные круги, пилы, сверла, надфили и т.д.). Кроме того, изобретение может быть использовано в медицине, например, для восстановления эксплуатационных характеристик стоматологических боров с алмазным покрытием.

Известен способ правки алмазных инструментов, включающий электроэрозионную обработку алмазоносного слоя на металлической связке [1] На электропроводную связку действуют электрическими импульсами (разрядами), которые осуществляют локальное оплавление связующего материала, а также частичное испарение и выброс его из микрократеров, образующихся при этом на обрабатываемой поверхности. В качестве правящего инструмента для электроэрозионной обработки используют металлический электрод в форме бруска, предварительно приработанного по профилю правящейся алмазоносной поверхности.

Известный способ имеет ряд недостатков: недостаточно высокая скорость обработки алмазного инструмента, невысокая точность обработки, невозможность правки алмазных инструментов на непроводящих связках. Кроме того, необходимость применение жидкости и подвод электрического импульсного напряжения непосредственно к обрабатываемой поверхности усложняет конструкцию используемого оборудования и создает дополнительные экологически вредные факторы.

Наиболее близким к описываемому является способ правки инструментов из сверхтвердых материалов, при котором производят облучение рабочей поверхности инструмента потоками концентрированной энергии, нагревая ее до температуры разрушения связки лазерным излучением, сфокусированным в пятно, площадь которого значительно превышает размеры абразивных зерен [2]
Известный способ может быть применен только при правке кругов на керамической связке, не обеспечивает высокой производительности обработки и не пригоден для правки кругов на других типах связок.

Изобретение направлено на повышение производительности правки кругов на различных связках за счет обеспечения избирательного испарения материала связки под действием интенсивных импульсных потоков энергии при одновременном исключении разрушения абразивных зерен.

Описываемый способ реализуют путем облучения поверхности инструмента импульсными потоками лазерного или корпускулярного излучения, причем длительность импульсов t(c) и среднее значение интенсивности q (Вт/м²) излучения в зоне воздействия выбирают из следующих соотношений:
d ≅ 2(L₁t/c₁ρ₁)^1/2≅ r (1)

где d глубина проникновения излучения в материал связки, (м);
r размер абразивных зерен инструмента (м);
L_i, C_i, ρ_i коэффициент теплопроводности (Вт/м•К); удельная теплоемкость (Дж/кг•К); плотность (кг/м³) материала связки (i 1) и абразивных зерен (i 2) соответственно;
H удельная теплота испарения связки (Дж/моль);
Т₀ исходная температура облучаемой поверхности (К);
T₁ температура разрушения абразивных зерен или температура графитизации для алмаза (К);
А 0,1-0,9 коэффициент поглощения энергии импульсов облучаемой поверхностью.

Благодаря тому, что для выпаривания связки на обрабатываемой поверхности используются мощные импульсные потоки корпускулярного или лазерного излучения, достигается увеличение скорости эрозии, поскольку при этом обеспечивается обнажения абразивных зерен на большой площади (1.10 см² за время порядка 0,1.1 с.

Благодаря тому, что длительность импульса и интенсивность излучения на абразивной поверхности инструмента устанавливают в соответствии с соотношениями (1), (2) реализуются оптимальные режимы облучения, при которых обеспечивается эффективное испарение поверхностного слоя связки любого типа (органической, керамической или металлической) без разрушения абразивных (алмазных) зерен, за счет чего достигается необходимая прочность закрепления обнажившихся при этом зерен на рабочей поверхности инструмента.

Способ позволяет в принципе реализовать правку алмазного инструмента по всей ее рабочей поверхности в течение однократного импульса облучения за счет фокусировки излучения в область нагрева, геометрия которой соответствует геометрии обрабатываемой поверхности.

Соотношение (1) позволяет выбрать длительность импульса t излучения, при которой глубина проникновения тепла в вещество связки h₁ меньше размеров r алмазных зерен, но больше чем глубина проникновения излучения d в связку (, где K₁ коэффициент температуропроводности, равный K₁= λ₁(c₁ρ₁).).

При найденной длительности импульса соотношения (2) позволяет определить необходимую величину q интенсивности излучения усредненной по площади пятна нагрева S, которая значительно превышает размер зерен r, достаточную для эффективного испарения приповерхностного слоя связки толщиной d ≲ h₁. При этом алмазные зерна не разрушаются, поскольку их температура не превосходит температуру графитизации Т₁, что обусловлено высоким значением коэффициента температуропроводности алмаза (λ₂/c₂ρ₂≫ λ₁/c₁ρ₁)..

Проводились исследования взаимодействия импульсного корпускулярного и лазерного излучения с режущей алмазоносной поверхностью шлифовальных кругов на металлических (80% Cu + 20% Sn) и органических (бакелит) связках.

Для облучения опытны образцов использовались пучки ускоренных протонов с энергией 100-200 кэВ, плотностью тока на алмазоносной поверхности до 100 А/см², и с t 0,5-1,0 мкс, формируемые в инжекторе ионного индукционного ускорителя, лазерное излучение (стеклянный лазер типа ГОС-301) с энеpгией импульса до 300 Дж и t 1 мс, а также кумулятивные плазменные потоки с интенсивностью в зоне облучения q 1-20 ГВт/м² и t 20-200 мкс, формируемые с помощью импульсного эрозионного плазменного ускорителя.

Расчетные значения оптимальных параметров облучающих импульсов, определенные по соотношениям (1), (2), для алмазного инструмента на медно-оловянной связке имеют следующие значения
4•10^-10 < t(c) < 4•10^-4 (1)
3,8•10⁷ < q (Вт/м²)•t^0,5 < 10,5•10⁷ (2)
При вычислении этих величин теплофизические параметры для связки и алмаза брались при Т₁ 1200 К на основании данных, приведенных в книге "Таблицы физических величин", Справочник под ред. акад. И.К. Кикоина. М. Атомиздат, 1976, c. 1008, и имели следующие численные значения:
для связки:
C₁ 450 Дж/кг•К
ρ₁= 8900 кг/м³
L₁ 10 Вт/м•К
H 304000 Дж/моль
для алмаза:
C₂ 1750 Дж/кг•К
ρ = 3500 кг/м³
L₂ 140 Вт/м•К
T₀ 300 К.

Глубина поглощения энергии облучающих импульсов в связке полагалась равной d 0,1-1 мкм, коэффициент поглощения энергии в связке и алмазе А 0,5, размер алмазных зерен r 100 мкм.

Было установлено, что более высокие результаты достигаются при более коротких импульсах в пределах условий, заданных соотношениями (1), (2). При невыполнении соотношения (1), например, при длительности импульсов t > 0,4 мс, правка кругов на Cu-Sn связке не происходит. Это имело место при использовании лазерного излучения.

В то же время лазерная правка инструмента на органической связке была весьма эффективной, т. к. при этом t < 20 мс. Пучки ускоренных протонов и плазменные сгустки дают близкие по эффективности результаты, однако с практической точки зрения использование плазмы более предпочтительно, поскольку плазменный ускоритель, в отличие от протонного, не требует вакуумных условий при функционировании и работает при существенно более низких ускоряющих напряжениях.

Проводилось облучение поверхности плазменными сгустками при длительности импульса облучения t 100 мкс.

Величина интенсивности q, определенная из соотношения (2) находилась в диапазоне значений
3,8 < q (ГВт/м² < 10,5
Эксперименты показали, что
при q 1 ГВт/м² что ниже значения, определенного из (2), правки нет, видны каверны на месте выпавших зерен;
при q 8 ГВт/м² есть правка, видны выступившие над поверхностью алмазные зерна;
при q 12 ГВт/м², что незначительно превышает верхний предел от (2), оголившиеся зерна частично разрушены облучающим потоком.

Описываемый способ позволяет обрабатывать алмазный инструмент с любым типом связки, независимо от физико-химических свойств, что обусловлено импульсным нагревом рабочей поверхности инструмента до температуры испарения связки при одновременном нагреве алмазных зерен до температуры, не превышающей температуру графитизации алмаза (2000^oС при малых временах облучения t ≲ 10^-3c).

Способ обеспечивает улучшение качества обработанной алмазоносной поверхности за счет уменьшения на ней неровностей, поскольку однородной эрозии подвергается сразу сравнительно большая площадь (более 1 см², а высота шероховатостей рельефа на обработанной поверхности находится на уровне 10^-3. 10^-2 мм. Достоинством способа является также его экологическая чистота. Это обусловлено отсутствием абразивной пилы или химически активных веществ при обработке алмазного инструмента, а пазы, образующиеся при испарении материала связки могут быть легко сконцентрированы на охлаждаемых поверхностях специальных защитных кожухов, которыми снабжаются установки для правки таких инструментов.

Использование: изготовление, правка, очистка от засаливания различных видов абразивных инструментов на металлических, керамических или органических связках. Сущность изобретения: рабочую поверхность инструмента облучают импульсными потоками лазерного или корпускулярного (пучки ускоренных протонов, кумулятивные плазменные потоки) излучения, которое фокусируют в пятно, значительно превышающее размер абразивных зерен. При этом длительность импульсов t(c) и среднее значение интенсивности q (Вт/м² излучения определяют по приведенным соотношениям. Такой выбор t и q обеспечивает выпаривание связки без разрушения алмазных (абразивных) зерен, которые при воздействии коротких импульсов нагреваются до температуры, не превышающей температуру графитизации алмаза.

Способ правки абразивных инструментов из сверхтвердых материалов, например алмазных порошков, при котором производят облучение рабочей поверхности инструмента потоками концентрированной энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности правки, облучение производят импульсными потоками лазерного или корпускулярного излучения, а длительность импульсов t(c) и среднее значение интенсивности q (Вт/м²) излучения в зоне воздействия устанавливают в соответствии со следующими соотношениями:
d≅2(L₁t/C₁P₁)^1/2≅r;
0,01H(C₁P₁L₁)^1/2≅ Aqt^1/2≅ 2(T₁-T₀)(C₂P₂L₂)^1/2,
где d глубина проникновения излучения в материалах связки, м;
r размер абразивных зерен инструмента, м;
L_i, C_i, P_i коэффициент теплопроводности, Вт/м•К; удельная теплоемкость, Дж/кг•К и плотность, кг/м³, материала связки (i 1) и абразивных зерен (i 2), соответственно;
H удельная теплота испарения связки, Дж/моль;
Т_о исходная температура облучаемой поверхности, К;
Т₁ температура разрушения абразивных зерен или температура графитизации для алмаза, К;
А 0,1 0,9 коэффициент поглощения энергии импульсов облучаемой поверхностью.