Різання алмазними лезовими інструментами
Вступ
Одниміз важливих напрямків сучасної матеріалообробки є різання інструментами з природнихі синтетичних алмазів. Характерними для нього є висока розмірна стійкість різальногоінструмента ( в 10-ки а то і в 100-ні разів перевищуюча стійкість традиційного інструментазвичайної твердості), це гарантує підвищену точність при виготовленні деталей машин;висока швидкість різання і, отже, підвищена продуктивність обробки; висока якістьобробленої поверхні, недосяжна іншими методами обробки.
алмазрізання інструмент лезовий
1. Характеристика алмазного лезового інструмента
Алмазнимінструментам немає конкурентів в обробці матеріалів на незалізній основі, такихяк склопластики, високолеговані алюмінієві сплави (особливо з кремнієм), композиційніматеріали і волокно, композиційні деревоматеріали, кольорові метали, кераміка, склота ін. Однак область застосування їх не охоплює значну частину оброблюваних матеріалівна основі заліза (приблизно 80 % від застосовуваної кількості матеріалів).
Алмазніінструментальні матеріали підрозділяються на такі групи:
• РКD — полікристалічний алмаз, синтезованийпри високих тисках і температурі;
• СVD або ОРСVD — алмаз або полікристалічний алмаз, отриманийхімічним осадженням із газової фази при низькому тиску .
Чистиймонокристал алмазу, який має неперевершену твердість і зносостійкість, відрізняєтьсякрихкістю і відповідно ризиком відмови при ударах. Полікристали РКD (із включенням кобальту) або СVD -алмазу («вільні від металу») мають середнюміцність.
Більшнизька зносостійкість порівняно з монокристалом у полікристалічних алмазів РКD при температурах понад 700 °С.
РКD «досягає» коефіцієнта в'язкості твердогосплаву, тому цей придатний, також для технологічних операцій з відносно високимидинамічними значеннями сили різання.
Всіінструментальні матеріали на основі алмазу є відмінними провідниками тепла і перевершуютьу цьому відношенні альтернативні матеріали. Швидке відведення тепла з зони різанняв тіло інструмента підтримує дотримання суворих умов різання, так само як і «м'який»тепловий режим для алмазу. Коефіцієнти теплопровідності алмазу змінюються в залежності від чистоти, структурий орієнтації.
/>
Рис. 1
Монокристалиалмазу мають дуже велику твердість, низькі коефіцієнти тертя, високу жорсткість,номінальні параметри кристалічної ґратки.
Монокристалічнаструктура алмазу має явно виражену анізотропію (неоднаковість фіз. властивостейу різних напрямках) властивостей у залежності від орієнтації. Залежно від орієнтації в кристалічнійгратці спостерігається підвищення стійкості ріжучої частини.
Полікристалічнісинтетичні алмази відрізняються мікроскопічною анізотропією матеріалу, викликаною різноманітноюкристалографічною орієнтацією окремих кристалітів, що призводить до перемінноговпливу в межах контакту полікристалу з оброблюваним матеріалам.
2. Особливості контактних процесів
Закономірностіконтактних процесів у зоні різання алмазного та неалмазного інструментів істотновідрізняються.
Головнийвплив на процеси, що відбуваються в контакті алмазного інструмента з оброблюванимматеріалом обумовлюють його найвища твердість та низький коефіцієнт тертя з більшістюматеріалів, а такожйого висока теплопровідність.
Отже,більш низький рівень роботи тертя, менші витрати па пластичне деформування і низькатемпература в контактних прошарках — головні особливості, що визначають перевагиалмазного інструмента.
Збільшенняшвидкості ковзання до 1000 м/хв і більше практично не змінює мале значення коефіцієнтатертя синтетичних та природних алмазів із металами (рис. 4.3), тоді як для твердогосплаву зі збільшенням швидкості розмір цього коефіцієнта спочатку росте, досягаємаксимуму і далі падає. Таке розходження пов'язане з тим, що в контакті з твердимсплавом виникають високі температури, які ініціюють адгезію з металом. Це призводитьдо росту коефіцієнта тертя. Подальший ріст швидкості пов'язаний із підвищенням температуриконтактних поверхонь, що послаблює адгезійні зв'язки, знижує коефіцієнт тертя.
/>
Рис.2
Природнийалмаз має найнижчий коефіцієнт тертя з металами порівняно із синтетичними алмазамиАСПК (алмаз синтетичний полікристалічний) і АСБ. Таке розходження пояснюється тим,що синтетичні алмази на відміну від природних мають на поверхні пори та заглиблення,викликані випаданням частин кристалітів, а також металеві включення. У АСБ пор івключень більше, ніж в АСПК. Ці пори заповнюються оброблюваним металом, що погіршуєумови тертя.
/>
/>
3. Стружкоутворення
Стружкоутворенняпри алмазному точінні порівняно з тонким точінням твердосплавним або іншим інструментомхарактеризується меншим рівнем деформації шару, що зрізається. Це підтверджуєтьсяменшою усадкою стружки, великим значенням кутів зсуву, зниженням рівня сил і роботирізання.
Вплив швидкості різанняна усадку стружки показано на рис. 3.
/>
Рис.3
Горбоподібнийхарактер залежності K = f (v) при точінні твердосплавним різцем пояснюєтьсятим, що з підвищенням швидкості до Vт зростає температура і, отже, зростає адгезійна взаємодія інструмента зі стружкою.Коефіцієнт тертя при цьому збільшується. Все це призводить до зростання усадки стружки.При досягненні швидкості Vт і подальшомуїї зростанні температура в зоні контакту досягає таких великих значень, при якихміцність адгезійних зв'язок падає, тому що падає міцність матеріалу стружки в контакті,коефіцієнт тертя і, як наслідок, усадка стружки знижуються. Отже, при тонкому (неалмазному)точінні пластичних матеріалів спостерігається діапазон швидкостей різання (поручіз Vт), у якому обробка ускладнена. Цей діапазоншвидкостей різання є «зоною важкої оброблюваності», тому що сили різання тут найбільші,якість поверхні найгірша, а сам процес різання динамічно менше стійкий.
Дляалмазних різців збільшення швидкості різання до 1000 м/хв і вище практично не змінювалоусадку стружки. При цьому «зони важкооброблюваності» не спостерігаються у всьомудіапазоні досліджуваних швидкостей. Ця важлива особливість алмазного точіння пояснюєтьсявідсутністю активної адгезійної взаємодії алмазу з більшістю оброблюваних матеріалів,чому сприяє низький рівень температур, що супроводжують алмазне точіння.
Впливподачі на усадку стружки (рис. 4) також пов'язаний із зовнішнім (для алмазних різців)та внутрішнім (для твердосплавних) тертям.
/>
Рис.4
Притонкому точінні твердосплавним різцем збільшення подачі, тобто товщини зрізу, зменшуєусадку стружки, тому що при цьому зростає температура і знижується коефіцієнт тертя.При алмазному точінні збільшення товщини зрізу тільки збільшує коефіцієнт тертяв контакті різця зі стружкою, що призводить до збільшення усадки стружки. При великихтовщинах зрізу розходження в усадці стружки при алмазному і тонкому точінні зменшується.Найбільше розходження виявляється при малих товщинах зрізу. Тому тут переваги алмазноготочіння найбільш істотні.
Впливглибини різання на усадку стружки при тонкому і алмазному точінні практично відсутній.
4. Сили різання
Силирізання при алмазному точінні характеризуються істотно меншим рівнем, ніжпри тонкому точінні твердим сплавом. Головними чинниками, що впливають на зниженнясил при алмазному точінні, є менший коефіцієнт тертя і малий радіус закруглення ріжучого леза в алмазномурізці.
Нарис. 5 показано вплив швидкості головного робочого руху при алмазному і, для порівняння,тонкому точінні мідних сплавів на складові сили різання. Якісно характер зміни залежностейтакий же, як і для K = f (v) і μ = f (v). Сили різання при алмазному точіннів 2-4 рази менші, ніж при тонкому точінні. Для різців з природних алмазів вони менші,ніж із синтетичних алмазів. Це визначається меншим коефіцієнтом тертя і меншим радіусомзаокруглення ріжучого леза.
/>
Рис.5
Збільшенняподачі (площі перерізу зрізу) збільшує сили різання. Проте інтенсивність цієї змінипри тонкому і алмазному точінні різна. При малих перетинах зрізу радіальна складоваРу може бути більшою, ніж тангенційна Рz (рис. 6). Це пояснюється великими силамина задній поверхні різця.
/>
Рис.6
Важливоюособливістю алмазного точіння е порівняно мала зміна сил різання при зносі різця.Інтенсивність збільшення сил різання зі зносом твердосплавного та алмазного різціврізна. При зносі алмазного різця сили різання зростають значно менше, головним чином,у початковий період. Чим більше знос інструментів, тим це розходження більше. Зносалмазних різців не призводить до такого інтенсивного збільшення радіуса округленняріжучого леза, як це має місце у твердосплавних або швидкорізальних інструментів(рис. 7).
/>
Рис.7
Іззносом алмазного різця сили на задній поверхні збільшуються, проте питомі навантаженняне ростуть, а падають, тому що площадка зносу збільшується швидше, ніж сила різання.Тому створення на задній поверхні різця невеликих розвантажувальних фасок підвищуєпрацездатність інструмента.
5. Теплові явища
Менша впорівнянні з тонким точінням робота різання при алмазному точінні визначаєі менше тепловиділення. Висока теплопровідність алмазних різців забезпечує низькийрівень температури в зоні різання при точінні кольорових металів, пластмас і низкиінших матеріалів. Навіть при високих швидкостях температура в зоні різання рідко перевищує 200°С, що дозволяє говорити про процес алмазного точіння як про «холодний». Винятокскладають титанові і деякі інші сплави, при обробці яких температура в зоні різаннядосягає великих значень.
Впливрежимів різання на температуру при алмазному точінні латуні, подано на рис. 8. Їїрівень не перевищує 200 °С. Найбільший вплив на температуру має швидкість, найменше- глибина різання.
/>
Рис.8
Навідміну від традиційного точіння, де головним джерелом тепла є деформації і тертяв процесі стружкоутворення на передній поверхні різця, при алмазному точінні з малимитовщинами зрізу до а = 0,02 мм головним джерелом тепловиділення є тертя по заднійповерхні. Тому тепловий потік буде спрямований не з боку передньої, а з боку задньоїповерхні (рис. 9).
/>
Рис. 9
Приобробці кольорових металів велика частина тепла спрямовується в стружку та оброблюванудеталь. У різець, як правило, йде невелика кількість тепла, тому що теплопровідністьоправок стандартних алмазних різців набагато нижча алмазу й оброблюваного матеріалу.
Приобробці матеріалів, що мають низьку теплопровідність (пластмаси, титанові сплави),кількість тепла, що іде в різець, збільшується. У цих випадках для кращого відведеннятепла можна використовувати оправки різців із теплопровідних матеріалів. Температураповерхні деталі при алмазному точінні кольорових металів рідко перевищує 100 °С.Це значить, що термічні зміни в поверхневому шарі деталі мінімальні або виключені.
Низькатеплонапруженість при алмазному точінні, невисокий рівень температур деталі й інструментадозволяють забезпечити високу точність обробки при зберіганні високої якості.
6. Знос і стійкість алмазних різців
Приточінні міді, латуні, алюмінію, пластмас та інших матеріалів стійкість алмазнихрізців може досягати декількох сотень годин, що в багато разів перевищує можливостіусіх відомих інструментальних матеріалів. Це дозволяє робити обробку деталей безпідналагодження та регулювання інструмента по декілька змін підряд, що дуже важливов автоматизованому виробництві. Висока стійкість, у тому числі і розмірна, робитьалмазний інструмент незамінним у високих технологіях. Водночас при обробці різноманітнихгруп матеріалів алмазні різці зношуються по-різному, у зв’язку з чим оброблюваніматеріали умовно можна розділити на три групи.
Перша група охоплює такі матеріали, при обробці яких регулярний, монотонний, зростаючийзнос практично відсутній. Різці тут виходять з ладу за випадкових причин: зупинкаверстата,його вібрації, випадкові включення в металі, удари тощо. Сюди відносяться мідь,латуні та бронзи, що не мають твердих включень, алюміній та його сплави, магній,дорогоцінні метали, пластмаси без твердих наповнювачів тощо.
Друга група охоплює метали та неметалічні матеріали, що містять тверді включення. Обробка матеріалів цієї групихарактеризується повільним регулярним зношуванням інструмента. Проте знос інструментатут не пов'язаний із температурою в зоні різання, тому що її рівень низький і недостатнійдля термоактивованого зносу. Сюди належать кольорові метали і сплави, що містятьтверді включення, пластмаси з твердими наповнювачами, керамічні матеріали тощо.
До третьої групи відносять матеріали, обробка яких викликає виникнення високихтемператур: 700-900 °С, тобто таких, при яких алмазний різець інтенсивно зношується.До таких матеріалівможна віднести титан та його сплави, цирконій, вольфрам, тверді сплави та ін. Тутінтенсивність зносу вища, ніж при обробці матеріалів другої групи.
Найвищоюстійкістю алмазних різців відрізняється обробка матеріалів першої групи, найнижчою- третьої групи.
Обробкаматеріалів першої і другої груп супроводжується втомно-механічним видом зносу.
Зносрізців при обробці матеріалів третьої групи пов'язаний, насамперед, із високимитемпературами в зоні різання.
Умонокристалі природного алмазу в результаті втомно-механічного впливу з’являютьсятріщини на ріжучій кромці, збільшуються, ростуть і можуть досягати значних розмірів.
Усинтетичного полікристалічного алмазу тріщина, що з'являється, гальмується і зупиняєтьсямежами кристалітів і металевих включень.
Отже,полікристалічна будова синтетичних алмазів дозволяє одержати більш високу зносостійкістьалмазного інструмента.
Особливоїуваги заслуговує питання про обробку алмазними різцями чорних металів. Приїх точінні чорних не алмазним інструментом утворюється наріст, що вироджується тількипри досягненні визначеної температури. На алмазному різці наріст практично не вироджуєтьсянавіть при високих швидкостях різання через високу теплопровідність алмазу і неможливостіз цієї причини досягти температур виродження наросту (рис. 10).
/>
Рис.10
Нестійкістьі часті зриви наросту призводять до інтенсивного зносу алмазного різця. Знос в основномувідбувається з боку задньої поверхні, тому що, по-перше, на неї діють часткинаросту, що потрапляють під ріжуче лезо різця, а, по-друге, високі тискисприяють розхитуванню і руйнації блоків алмазу.
Необхідно відзначити, що переваг при алмазному точінні чорних металів, якправило, не спостерігається, тому що оброблювану поверхню формує не ріжуче лезоалмазного різця, а наріст, який не забезпечує високу якість обробки.
7. Якістьповерхні
Уформуванні поверхневого шару й обробленої поверхні роль фізичних чинників (адгезійнавзаємодія, температурний вплив, фазово-структурні зміни тощо) значно менша, ніжпри точінні іншими інструментальними матеріалами. Тому при алмазному точінні наперше місце виходять чинники, які впливають на утворення мікронерівностей чистогеометрично. Фазово-структурні зміни в поверхневому шарі деталі найчастіше відсутні,тому що рівень температур при обробці матеріалів першої і другої груп низький.
Залежностішорсткості обробленої поверхні від швидкості різання при точінні алмазними і твердосплавнимирізцями (рис. 11) якісно повторюють закономірності впливу швидкості на коефіцієнттертя й усадку стружки, розглянуті вище. При алмазному точінні першої і другої групматеріалів швидкість різання практично не впливає на шорсткість поверхні в широкомудіапазоні.
/>
Рис.11
Утой же час при тонкому точінні твердосплавним інструментом висота мікронерівностей,в утворенні яких велику роль відіграє фізичний чинник, значно вища. В інтервалішвидкостей різання, у якому спостерігається особливо сильна взаємодія твердосплавногорізця з оброблюваним матеріалом, розходження алмазного «холодного» і тонкого «гарячого»точіння особливо великі.
Припоздовжньому точінні алмазними різцями можна забезпечити шорсткість обробленої поверхні,що досягає Rz = 0,03 мкм (природним алмазом). Протетут для досягнення високої якостіобробленої поверхні необхідні спеціальні верстати. При алмазному точінні врізанням(без поздовжньої подачі) можна одержати шорсткість поверхні, дуже близьку до шорсткостіріжучої кромки різця. При добре доведених ріжучих кромках різців із природних алмазівможна порівняно легко одержати Rz = 0,05 мкм.
Припоздовжньому точінні шорсткість поверхні так само буде залежати від якості заточенняінструмента.
Головнимичинниками, що впливають на шорсткість обробленої поверхні, є подача і точністьустановки алмазного різця.
Глибинарізання практично не впливає на шорсткість обробленої поверхні. Проте різці із синтетичнихалмазів ще не можуть забезпечити такий же рівень шорсткості, як і різці з природнихалмазів. Полікристалічна будова не дозволяє одержати дуже чисту ріжучу кромку, томущо при заточенні окремі блоки кристалітів викришуються, залишаючи зриви на ріжучомулезі. Чим крупніші кристаліти, тим більш шорсткуватою утворюється ріжуча кромка.Забезпечити низьку шорсткість ріжучої кромки різця можна, зменшивши розміри кристалітіву полікристалі або підвищивши міцність їхнього утримання, а тим самим покращившидоведення ріжучої кромки.
Істотнийвплив на шорсткість обробленої поверхні чинить знос алмазних різців. Поява на рівній,чистій ріжучій кромці зривів, мікротріщин призводить до погіршення якості обробленоїповерхні. При цьому розмір зносу по задній поверхні може бути дуже невеличкий hз = 0,05 мм.
Приобробці матеріалів другої групи вплив зносу різця на шорсткість обробленої поверхнібільш складний. Через те, що знос різців тут втомно-механічний, то утворюються площадкизносу, що представляють собою поверхню зламу з величезною кількістю гострих мікрокромок.Стикаючись з обробленою поверхнею, площадка зносу «підшліфовує» її, поліпшуючи якістьобробки (рис. 12). Тому зі збільшенням площадки зносу (до певного розміру) ростечисло мікрокромок на поверхні зносу і знижується шорсткість обробленої поверхні.
/>
Рис.12
Цеє ще одною особливістю алмазного точіння, що вигідно відрізняється від тонкого точіння,де збільшення зносу завжди тільки погіршує якість обробленої поверхні.
8. Вибір критерію зносу алмазних різців
Вибіркритерію зносу алмазних різців регламентується, в основному, двома чинниками: якістюобробленої поверхні і собівартістю обробки. При необхідності забезпечувативисоку якість обробленої поверхні (Ra = 0,3 мм) розмір зносу може обмежуватися значеннями 0,05-0,1 мм.
Принеобхідності забезпечити обробку декоративних поверхонь так само рекомендуєтьсяприпускати малий розмір зносу різця: не більше 0,05 мм. При точінні матеріалів першоїгрупи навіть такий малий критерій зносу забезпечує високу стійкість інструмента,що складає десятки і сотні машинних часів. Таким чином, при точінні матеріалів першої групи критерій зносу визначається необхідноюшорсткістю обробленої поверхні.
Приточінні матеріалів другої групи, обробка яких супроводжується втомно-механічнимзносом алмазного різця, як критерій затуплення приймається так само знос по заднійповерхні різця. Причому розмір зносу може досягати hз = 0, 5мм.
Якщонеобхідна шорсткість обробленої поверхні не лімітується зносом інструмента, то вартоприпускати найбільше значення критерію зносу — 0,5 мм. Чим більше допустимий знос, тим менша кількість дорогих переточуваньінструмента до повного використання алмазного різця. При критерії зносу hз = 0,5 мм число переточувань алмазногорізця може складати 2-4. Оскільки для даної групи матеріалів, як правило, знос інструментане лімітує шорсткість обробленої поверхні, то рекомендується за критерій зносу прийматиhз = 0,25-0,5 мм.
Приточінні матеріалів третьої групи значних розмірів зносу по задній поверхні вартоуникати. Якщо шорсткість обробленої поверхні не лімітує знос інструмента, то випливаєза рекомендується за критерій зносу приймати hз = 0,2-0,4 мм.
Припідвищених вимогах до шорсткості обробленої поверхні hз = 0,2 мм.
10. Перспективи розвитку і застосування
Перевагиалмазного лезового інструмента, безумовно передбачають його подальший розвиток ірозширення обсягів використання. Високопрецизійна обробка виробів стає все більш потрібною, а це буде стимулюватироботи з удосконалювання синтезу монокристалічного алмазу, тому що застосовуваніприродні монокристали мають обмеження і за розмірами, і за вартістю.
Подальшийрозвиток промислового виробництва, необхідні високі швидкості, продуктивність таякість обробки, поява усе нових і нових важкооброблюваних матеріалів будуть посилюватипотребу в алмазній обробці, створенні нових інструментів і технологій їхнього застосування.Алмазна обробка без сумніву й у майбутньому залишиться ключовим чинником для створеннявисоких технологій, досягнення нового рівня виробництва наукоємкої продукції.