Гибридность является проявлением тенденций к усложнению, взаимопроникновению и интеграции различных систем в современной мировой практике. Технологическая и конструктивная гибридность, присущая процессу обработки, станку, его элементам, а также инструменту позволяет получить синергетический эффект.

 

 

В.К. Ермолаев, к.т.н.,
технический эксперт 
ООО «Шлифовальные станки»

 

 

Известно, что термин «гибрид», появившийся в начале XVII века, происходит от латинского «hybrida», что означает «потомок» или «смешанный», и используется в биологии. Однако гибридность есть всеобщее свой­ство развития, так в современном мире нет сферы деятельности, где бы не было гибридных явлений, процессов или объектов. Гибридность — объединение и смешение сущностей или областей, которые обычно считаются отдельными или даже противоположными [1].

 

Технологическая гибридность — сочетание различных технологий, материалов, подходов для создания новых продуктов и оптимальных решений. Например, гибридные автомобили, дополненная реальность, биоинформатика. Сочетание аддитивных технологий с традиционными методами производства позволяет создавать более сложные и персонализированные продукты.

 

В области IT гибридность приобрела новое значение с развитием облачных технологий. Гибридные облачные решения, которые сочетают частные и публичные облака, позволяют организациям оптимизировать свои ресурсы и повысить гибкость.

 

Таким образом, гибридность отражает общую тенденцию к увеличению сложности, конвергенции и синтезу различных систем. Моносистемы, имеющие однородную и чистую структуру, обладают меньшей гибкостью и устойчивостью к изменениям.

 

Во всех гибридных объектах [2, 3] принципиальным является то, что это объект, образованный в результате соединения различных факторов, который обладает синергетическим эффектом, превосходящим результат от простой суммы действий каждого из факторов, т. е. 1+1>2, если факторов 2 (эффект от суммы двух факторов больше суммы их эффектов).

 

В шлифовании гибридность, комбинированность, смешанность, сочетаемость наблюдается в технологических процессах обработки деталей и правки круга, в конструкциях станка, механизмов, материалах деталей узлов станка, алгоритмах системы управления, в связках и материалах абразивного инструмента, способах подачи и составах СОЖ.

 

Гибридность как системообразующий фактор в контексте развития процессов и оборудования для шлифования — это ключевой элемент, или принцип, который определяет структуру, функционирование и развитие всей системы шлифования.

 

 

 

ГИБРИДНАЯ ОБРАБОТКА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ ШЛИФОВАНИЕ ИЛИ АБРАЗИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

 

 

Обрабатывающие производства требуют эффективных процессов, обеспечивающих сокращение производственных затрат и минимизацию времени обработки для повышения конкурентоспособности при одновременном соблюдении растущих стандартов качества.
Неотъемлемость применения гибридных процессов, включающих шлифование или абразивное воздействие, обусловлена следующими факторами:
• Производство деталей из материалов с низкой обрабатываемостью, таких как жаропрочные сплавы и материалы высокой твёрдости, в первую очередь компонентов с высокой добавленной стоимостью. 
В этом случае только применение гибридных технологических процессов (шлифование с ультразвуковой вибрацией, шлифование с лазерной обработкой и др.) позволит эффективно обработать деталь.
• Создание гибридных процессов на основе управления физической сущностью первичного процесса. Например, при шлифовании выделяемое тепло приводит к фазовым превращениям во время абразивной обработки поверхности, которые, в свою очередь, ведут к определённым характеристикам упрочнения за счёт правильного выбора условий шлифования. Отсюда возникают гибридные процессы — упрочнение или закалка шлифованием.
• Использование на предшествующих операциях аддитивных технологий, требующих из-за низкой точности и высокой шероховатости применения шлифования как окончательного процесса.
• Глубокая оптимизация процесса обработки детали невозможна без гибридных технологий из-за необходимости получения синергетического эффекта (1+1>2).
• Обеспечение стабильных и высоких показателей точности обработки невозможно при смене технологических баз обрабатываемой детали на различных операциях. Таким образом, логично появление гибридного процесса, объединяющего точение, фрезерование, шлифование и измерение.

 

С учётом работ [2–5] процессы гибридной обработки, включающие шлифование, которое следует считать доминантным, ответственным за результат, можно классифицировать на три группы:

 

Комбинированная гибридная обработка. Сочетает в себе два или более процесса, протекающих одновременно или последовательно, но контролируемым образом, причём эти процессы способствуют как удалению материала, так и его послойному наращиванию. Примеры процессов, относящихся к этой категории: электрохимическое микрошлифование, механохимическая полировка, процессы, включающие аддитивные технологии.

 

Вспомогательная гибридная обработка. Эта категория охватывает процессы гибридной обработки, когда один из процессов с помощью абразива удаляет материал, а дополнительная энергия в виде магнитного поля, вибраций, наножидкости или сильного электрического поля вводится для помощи в удалении материала. Примеры вспомогательных гибридных процессов обработки: абразивное электрохимическое хонингование, абразивная электроэрозионная обработка, электролитическое шлифование в процессе правки и другие.

 

Контролируемое применение механизмов процесса. Эта группа представляет гибридное применение механизмов обработки с помощью вспомогательного, комбинированного и контролируемого оборудования с целью сокращения цепочки процессов или объединения двух разных процессов на одной и той же станочной платформе. Примеры: гибридный процесс абразивной водоструйной обработки, упрочнение или закалка шлифованием за счет использования тепла, выделяемого при обработке, и другие процессы.

 

Классификация современных процессов механической обработки с учётом работ [2–5] по видам взаимодействия, то есть по энергии, используемой для удаления материала заготовки, и, соответственно, по видам гибридной обработки при применении инструмента или среды с абразивными зёрнами представлена в таблице 1. 
Синим шрифтом в скобках указана аббревиатура на английском как часто встречающаяся.

 

В работе [6] на основании обширного обзора литературных данных, включающего около 250 исследовательских статей, показано, что для шлифования как первичного процесса в качестве вторичных процессов употребляются, по мере уменьшения частоты исследований, следующие: ультразвуковая вибрация, лазерная и жидкостная поддержки. Технологии с применением вибрации используются для облегчения удаления материала. В большинстве применяемых систем шлифования амплитуды колебаний находятся в диапазоне 1–15 мкм, а частота — от 18 кГц до 25 кГц, при этом сама вибрация создается пьезоэлектрическими элементами внутри держателя инструмента, шпинделя или системы зажима заготовки.

 

В исследовании [7] установлено влияние ультразвуковой вибрации на шероховатость поверхности, полученную во время шлифования углеродистой стали C45. Авторы экспериментально оценили роль вибрации в направлении поперечной подачи. Результаты сравнивались с обычным шлифованием, и было обнаружено двадцатипроцентное снижение значений Ra и Rz параметров шероховатости поверхности заготовки, обработанной с использованием ультразвуковых колебаний. Li S. и др. [8] предложили объединить ультразвуковую вибрацию и плазменно-­электролитическое окисление для улучшения шлифуемости широко распространённого титанового сплава Ti6Al4V. Эта техника была применена экспериментально, и результаты сопоставлялись с обычным шлифованием с точки зрения усилий и шероховатости поверхности. Сравнение показало 60% и 70% снижение нормальных и тангенциальных сил и, соответственно, 46% снижение шероховатости поверхности.

 

Использование лазерного луча в качестве вторичного процесса также возможно для шлифования. Лазерный луч воздействует на зону обработки: размягчает материал, изменяет состояния электролита в электрохимической обработке (ECM), а использование гибридного подхода: ультразвуковых импульсов, абразива и лазера — дополнительно повышает производительность процесса ECM и т. д.

 

Третья очень важная группа вторичных вспомогательных процессов включает так называемые «процессы с использованием среды». Сюда входят высокое давление и криогенное охлаждение/смазка, применяемые с помощью специальных струй или систем охлаждающих сопел. Граница с обычными приложениями охлаждения и смазки не всегда четко определена, но можно утверждать, что должно быть значительное улучшение процесса, инициированное с помощью среды.

 

Процентное соотношение наиболее применяемых в научном изучении поддерживающих процессов гибридной обработки, в которой шлифование является первичным, доминантным процессом (рис. 1 [9]), подтверждает выводы работы [6].

 

Рис. 1. Применяемость поддерживающих процессов при исследовании гибридного шлифования

 

 

В работе [10] показано, что для значительного улучшения результатов обработки титановых сплавов (ТС) и исключения проблем, возникающих при классической обработке, используются гибридные методы: ультразвуковое шлифование, абразивное электроэрозионное шлифование, лазерное шлифование, электрохимическое шлифование и их комбинации.

 

 

ШЛИФОВАЛЬНЫЕ СТАНКИ ДЛЯ ГИБРИДНОЙ ОБРАБОТКИ

 

 

Представленные выше гибридные процессы воплощаются в станках, сочетающих в себе как различные стандартные методы механической обработки, так и нетрадиционные технологии, что определяет их уникальные технологические особенности по сравнению с обычными шлифовальными станками. Так, гибридный станок, осуществляющий различные виды последовательной механической обработки детали (рис. 2), имеет единую конструктивную базу для размещения разных модулей, создающих необходимые исполнительные движения формообразующих узлов, реализующих заложенные технологии.

 

Рис. 2. Схема разработки гибридного станка, сочетающего фрезерование и шлифование

Рис. 3. Компоновка станка SG 160

 

 

Значения сил, крутящего момента и мощности резания при фрезеровании и шлифовании определяют требования к параметрам несущей системы гибридного станка по жесткости и виброустойчивости. Примером такого гибридного станка может служить станок (рис. 3) для червячного зубофрезерования и последующего сухого зубошлифования — SG 160 Skygrind от Samputensili [11].

 

Многие зарубежные компании: DMG MORI, EMAG, Okuma, Comork, что подтверждает информация, размещённая на их сайтах, широко выпускают гибридные станки, в состав технологических операций которых входят сверление, фрезерование, точение, шлифование, ультразвуковая обработка и измерение (рис. 4а). Новое решение FDS duoBLOCK® предоставляет возможность выполнять фрезерование —­ F, точение­ —­ D и шлифование —­ S на одном станке, за один постанов, устраняя неточности, неизбежные при переналадке.
Интеграция шлифовальной технологии в виде циклов для внутреннего, наружного и торцевого шлифования, а также циклов для правки шлифовального круга возможна на всех станках duoBLOCK® серий DMU/DMC/FDS, обеспечивая результирующую шероховатость поверхности 0,4 мкм.

 

К специфическим устройствам, используемым при шлифовании, следует отнести (рис. 4) специальные датчики, распознающие касание шлифовального круга с деталью и устройством правки, измерение диаметра (рис. 4б) во время шлифования с повторяемостью измерений до 0,8 мкм, оправки абразивного инструмента со сквозной подачей СОЖ (рис. 4в) для наилучшей промывки контактной зоны с давлением СОЖ 80 бар. Общий объём системы СОЖ — 1300 л, имеется фильтр для частиц >5 мкм, промывка защитного кожуха рабочей зоны для удаления стружки.

 

а) операции зубофрезерования         б) измерение диаметра детали        в) подача СОЖ через круг
и шлифования отверстия

Рис. 4. Технологические опции гибридных станков DMG MORI

 

Использование гибридных станков при реализации процессов поверхностной закалки методом высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) и шлифования на одной технологической базе без промежуточных переналадок обрабатываемой детали и инструментов повышает производительность изготовления компонентов. На рис. 5 показана отечественная разработка комбинированного гибридного процесса: ВЭН ТВЧ и шлифование [12].
Появление нового метода — высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) стало возможным в результате развития технологии высокочастотного нагрева, которое связано с использованием радиочастот, работами по миниатюризации индукторов, а также оснащению их ферритовыми магнитопроводами (рис. 6) [13].

 

Рис. 5. Схема гибридной обработки детали в форме втулки 

Рис. 6. Схема обработки при ВЭН ТВЧ детали в форме диска

 

 

С помощью метода ВЭН ТВЧ возможна закалка с удельными мощностями нагрева около 400 МВт/м², что позволяет конкурировать с другими концентрированными источниками — лазер, электронный луч — при упрочнении материала без оплавления.
Серия станков VLC производства группы EMAG позволяет реализовать широкий спектр технологий обработки незакаленных и закаленных деталей: точение, сверление, фрезерование, зубофрезерование и шлифование. Активно используется комбинация процессов твердого точения и шлифования кругами из КНБ, при этом уменьшается продолжительность цикла обработки, в два раза сокращаются затраты — как на инструмент, так и общие на единицу продукции, кроме того, улучшается качество обработки. Станки VLC 200 GT оснащаются инструментальной 12-позиционной револьверной головкой, а также шпинделями для внутреннего и наружного шлифования (рис. 7). Таким образом, применение станков VLC создаёт синергетический эффект.

 

Рис. 7. Рабочая зона VLC 200 GT

 

На авиационной выставке в Париже (Paris Air Show) в 2015 г. был представлен один из первых станков для гибридной обработки millGRIND фирмы ELB-SCHLIFF WZM GmbH (рис. 8), сочетающий лазерное напыление металла, фрезерование, растачивание, шлифование и измерение на станке [14]. Станок был создан в 2013 году. Лазерная плавильная головка Hybrid Manufacturing Tech-nologies Ambit разработана в Великобритании. На рис. 9, 10 показана возможность обработки секции статора за один постанов, позиции лазерной наплавки и последующего окончательного шлифования. Гибридный станок открывает новые возможности для экономии времени и затрат, предназначен для аэрокосмического применения, в частности, для обработки деталей из суперсплавов на основе никеля.

 

Рис. 8. Гибридный станок millGRIND фирмы ELB-SCHLIFF WZM GmbH

 

Рис. 9. Обработка секции статора       Рис. 10. Позиции лазерной наплавки и шлифования

 

В станке millGrind используются обычные абразивы с суперсвой­ствами, а разрешение по осям X, Y, Z составляет 0,1 мкм. Таким образом, гибридная обработка помогает вывести аддитивное производство на новый уровень точности.

 

 

ГИБРИДНЫЙ АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

 

 

Гибридные направления в производстве шлифовальных кругов касаются состава, размеров абразивных зёрен и их агрегатов, покрытий и связки.
По справедливому утверждению авторов работы [15] абразивный продукт круга наряду с высокой твердостью и химической инертностью к обрабатываемому материалу детали должен иметь достаточную хрупкость для обеспечения самозатачиваемости зёрен, то есть быть сложноструктурированным, каким является композиционный материал SiC–Al2O3. Абразивное зерно из такого материала — совокупность множества резцов из карбида кремния в матрице из корунда. Проведены исследования [15] эксплуатационных свой­ств кругов размерами 250×20×76 и 70×50×20 при обработке титанового сплава ВТЗ‑1. Установлено, что шлифующая способность кругов из полученного продукта на 30% выше, чем у аналогичных из карбида кремния и электрокорунда.

 

 

Сравнительные микромеханические показатели образцов композиционного материала и составляющих его компонентов при нагрузке на индентор 100 Н приведены в таблице 2 [16].

 

Полученные результаты показывают, что композиционный материал из карбида кремния и корунда по микротвёрдости близок к SiC, а по микропрочности значительно превосходит и карбид кремния, и корунд. Химические и рентгеновские исследования подтверждают, что все объекты, взятые из зоны образования продукта синтеза, содержат 35–40% SiC и 60–65% Al2O3. Во всех пробах оксид алюминия находится в виде α-­Al2O3, а карбид кремния, как правило, представлен смесью кубического (β-­SiC) и гексагонального (α-­SiC) карбида кремния.

 

Авторы [16] полагают, что композиционный материал SiC–Al2O3 c корундовой матрицей, обладающий новыми свой­ствами, отличающимися как от свой­ств карбида кремния, так и от свой­ств корунда, можно рекомендовать для изготовления абразивного инструмента, используемого при шлифовании деталей из стали ШХ‑15, чугуна и титановых сплавов. Гибридное зерно SiC–Al2O3 является перспективным для применения при силовом и обдирочном шлифовании.

 

Следующим примером создания и применения гибридного абразивного инструмента являются описанные в статье [17] результаты численного и экспериментального исследований по шлифованию Ti6Al4V традиционным и вновь разработанным абразивным кругом с агрегатами зёрен. Модифицированный круг состоял из зёрен основного размера Al2O3 (250 мкм) и абразивных агрегатов большего размера (355 мкм), чем основные зёрна. Сами абразивные агрегаты состоят из абразивных зёрен меньшего размера (106 мкм), чем основные зёрна круга.

 

Применение модифицированных кругов при шлифовании Ti6Al4V повышает эффективность удаления материала, снижает усилия и энергию шлифования, а также на 10–30% уменьшает шероховатость поверхности обрабатываемой детали.

 

Гибридные подходы проникают в проблемные технологии. Так, одной из технологических задач является распиливание природного алмаза дисками, полученными методом ультразвукового шаржирования предварительно внедрёнными алмазными зёрнами. В работе [18] установлено, что лазерное нанесение алмазоподобных плёнок на рабочие поверхности таких распиловочных дисков позволило получить инструмент с более высокими эксплуатационными характеристиками.

 

Алмазоподобная плёнка, полученная методом лазерного напыления, связывает алмазные зёрна с основой и между собой. Из-за наличия в этой плёнке гибридизированного углерода некоторые её физические характеристики (твёрдость, электрические свой­ства, плотность) близки к свой­ствам алмаза.

 

Сравнительные испытания дисков, на которые в качестве упрочняющей поверхности была нанесена алмазоподобная плёнка, с дисками, полученными механическим шаржированием, показали: при распиливании природного алмаза в первом случае качество обрабатываемых поверхностей повышается, стойкость дисков увеличивается в 1,5 раза, а температура в зоне распила снижается на 30–40%. Это особенно заметно проявляется при распиливании крупных кристаллов.

 

На сайте компании Moresuperhard (КНР) показан алмазный шлифовальный круг на гибридной связке, состоящей из смолы (полиимид) и металлической составляющей (рис. 11). Рекомендуемое применение — заточные станки с ЧПУ: Anca, Walter, Ewag, Schneeberger и др. для обработки канавок в концевых фрезах, свёрлах и развёртках. Гибридные круги из металла и полимерной смолы обладают преимуществами как полимерной, так и металлической связки. Имеют хорошую самозатачиваемость, высокую эффективность благодаря остроте кромок, повышенную термостойкость и способность хорошо удерживать форму.

 

Рис. 11. Гибридный алмазный круг 11V9

 

 

Новый алмазный круг с материалом зерна D91NA, предоставленный Royall Diamond [19], имеет гибридную связку, состоящую из фенольных, керамических и металлических составляющих. Одним из его преимуществ как абразива является минимальная потеря твёрдости из-за высоких температур благодаря термической стабильности до 300°C на воздухе и более 800°C в вакууме. Инструмент устойчив к механическому износу, поскольку износ связан с продуктом термохимической деградации в присутствии кислорода при высоких температурах. Этот круг на гибридной связке может подвергаться жёстким условиям шлифования — более высоким значениям скорости круга и скорости подачи.

 

Вибрации при шлифовании в значительной степени зависят от динамической податливости станка и обрабатываемой детали. Критическая глубина резания, при которой возникают вибрации, обратно пропорциональна абсолютному значению отрицательной действительной части сложной функции динамического отклика станка на податливость. Поэтому, например, для высокопрецизионных шлифовальных станков разрабатываются системы активного демпфирования, которые помогают избежать вибрации станка.

 

Недостатком традиционных абразивных кругов является отсутствие демпфирования, что не способствует получению высокого качества поверхности детали. 
 

В исследовании [20] для улучшения обработки предлагается увеличить демпфирующие свой­ства шлифовального круга за счёт гибридизации его состава. С этой целью были синтезированы модифицированные полиуретаном (PU) сополимеры фенолформальдегидной смолы (PF) в качестве матрицы шлифовальных кругов. Кроме того, для улучшения трибологии и производительности шлифования в состав круга был введён оксид графена (GO), см. рис. 12.

 

Рис. 12. Схема распределения компонентов шлифовального круга из сополимера оксида графена с гибридом полиуретана и фенолформальдегидной смолы

 

После шлифования гибридным кругом GO из полиуретана и полифторида с размером частиц корунда W5 (стандарт GB2477 КНР, соответствующий М5 по ГОСТ 3647) значение Ra для высокоуглеродистой хромистой подшипниковой стали GCr15 (ШХ15) снизилось до 29 нм, что на 35% ниже, чем у шлифовальных кругов из чистого полифторида.

 

 

ГИБРИДНЫЕ МЕТОДЫ ПРАВКИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

 

 

Суперабразивные круги на гибридных связках имеют большой потенциал в промышленных применениях, поскольку их мультипликативный эффект достигается за счёт низкого износа и высокой прочности, а также пористости и хороших стружечных карманов, этим они удовлетворяют противоречивым функциональным и производственным требованиям [21].

 

Однако следует решать проблему правки применяемых высокопрочных связок. В настоящее время для правки кругов с гибридной связкой предлагается [22] использовать лазерное воздействие на круг в противовес механической правке кругом из SiC. Эксперименты по шлифованию проводились с серией шлифовальных кругов CBN с D = 150 мм, T = 25 мм, на гибридной связке со средним размером зерна 126 мкм на плоскошлифовальном станке по схеме рис. 13. Заготовка была из закалённой стали 100Cr6 (ШХ15) твёрдостью 60 HRC.

 

Рис. 13. Принцип лазерной правки суперабразивных шлифовальных кругов

 

 

Для исследования параметров шлифования энергия лазерного импульса Nd:YAG варьировалась от 0,1 до 1 мДж при частоте повторения импульсов 10…100 кГц и скорости сканирования 0,5…5 м/с. Самые низкие силы шлифования были достигнуты после лазерной правки со средней мощностью лазера 50 Вт при частоте повторения импульсов 50 кГц.

 

Экспериментально установлено, что при правке лазером возникают меньшие усилия шлифования, удельная энергия и тепловыделение по сравнению с правкой SiC. Однако следует учитывать более высокий износ круга при шлифовании и более высокую шероховатость обработанной поверхности. Хотя разница показателей Ra незначительна и составляет <0,05 мкм.

 

Авторы исследования [23] установили, что степень влияния гибридного процесса ультразвуковой правки (УЗП) на показатели шлифования кругом 92А40НСМ27К11
стали 40ХГНМ (HRCэ 48…50) зависит от метода обработки. Амплитуда и частота колебаний правящего инструмента соответственно составляли 14 мкм и 22,3 кГц. Установлено, что наибольший положительный эффект от применения УЗП достигнут на операциях с автоматическим циклом врезного шлифования с правкой в автоматическом режиме. Меньший эффект наблюдается при маятниковом шлифовании с продольной подачей заготовки. Производственные испытания технологии УЗП на операциях шлифования показали следующие преимущества УЗП по сравнению с обычной правкой:
• Снижение затрат на абразивно-­алмазный инструмент за счёт повышения режущей способности и периода стойкости шлифовального круга.
• Повышение стабильности показателей процесса шлифования за счёт снижения разброса значений параметров рельефа формируемой рабочей поверхности круга.
• Возможность повышения производительности операции врезного автоматического шлифования.

 

 

ГИБРИДНЫЕ СОСТАВЫ И СПОСОБЫ ПОДАЧИ СОЖ

 

 

Широко и давно известные [24, 25] применяемые при шлифовании минеральные масла, синтетические СОЖ, эмульсии и аэрозоли — все являются гибридными структурами, т. к. представляют собой дисперсные системы, состоящие из двух и более дисперсионных сред. Масляные СОЖ имеют в своём составе до 95% минерального масла и содержат функциональные добавки. Синтетические СОЖ — концентрированные жидкости с дисперсностью на молекулярном уровне, которые производят на базе ПАВ, воды, растворимых полимеров и присадок. Эмульсия — это дисперсная система, состоящая из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределённых в другой жидкости (дисперсионной среде). Аэрозоль — это тоже дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде (обычно в воздухе) мелких частиц (дисперсной фазы).

 

В последнее время [26] для улучшения трибологических свой­ств к базовым СОЖ добавляют наноматериалы в качестве присадок. Добавление наночастиц в базовую жидкость увеличивает теплопроводность, повышая способность базовой жидкости отводить тепло, кроме того, способствует росту стабильности смазывающего действия гибридной СОЖ и тем самым обеспечивает производительность обработки [27].

 

Получаемые гибридные нано-­СОЖ (nanofluids NFs — НСОЖ) представляют собой новый тип жидкостей, содержащих наночастицы размером от 1 до 100 нм, взвешенные в базовой жидкости. Эти металлические или оксидные частицы металла увеличивают конвекцию и проводимость в жидкостях для эффективной передачи тепла из зоны резания при шлифовании. В НСОЖ наночастицы взвешены для получения желаемых свой­ств жидкостей [28].

 

В работе [29] проведён анализ состава наночастиц, используемых для приготовления гибридных СОЖ, в общей сложности было учтено 63 значимых исследовательских статьи. Наиболее часто используемыми нанодобавками были: MoS2 (дисульфид молибдена) и ZnO (оксид цинка) — по шесть исследований на каждую, что составляет 10% от общего числа статей, а также Gr (графен) и Al2O3/TiO2 (оксид алюминия и оксид титана) — по пять исследований на каждую, что составляет 8% от общего числа статей. Кроме того, в качестве добавок используются частицы Al2O3, многослойные углеродные нанотрубки и углеродные наночастицы.

 

В работах [30, 31] отмечается, что при применении наносмазочных материалов на границе раздела стружки и инструмента коэффициент трения может быть уменьшен. Механизм шлифования при эксплуатации гибридных нано-­СОЖ включает в себя ряд эффектов: перекатывания, восстановления, или корректирующий, образования защитной плёнки и полировки, что показано на рис. 14.

 

Рис. 14. Механизм шлифования при применении гибридных СОЖ с наночастицами

 

При эффекте перекатывания наночастицы создают эффект качения тел между взаимодействующими поверхностями круга и заготовки, преобразуя трение скольжения в трение качения, как показано на рис. 14а. Корректирующий эффект заключается в осаждении наночастиц, заполняющих впадины и бороздки на взаимодействующей поверхности, как показано на рис. 14б. В механизме формирования трибоплёнки наночастицы образуют защитную плёнку между взаимодействующими поверхностями, которая помогает предотвратить прямой контакт этих поверхностей, как показано на рис. 14с. Благодаря пористой природе сферических наночастиц они могут придавать высокую эластичность и увеличивать зазор на границе раздела инструмента и заготовки. Эффект полировки проявляется в устранении крупных неровностей на поверхности обрабатываемой детали и её сглаживании, как показано на рис. 14д. Улучшение трибологических характеристик нано-­СОЖ при действии основных четырёх эффектов позволяет снижать силу резания при меньшем потреблении энергии шлифования [26–31].

 

В качестве конкретного примера эффективности нано-­СОЖ можно привести результаты работы [32], в которой авторы разработали экологически чистую смесь пальмового масла и графитовых нанопластинок (GNPS) для использования при шлифовании Ti6Al4V с подачей минимального количества СОЖ. Полученные результаты были сопоставлены с результатами шлифования без СОЖ и при применении СОЖ Acculub LB2000. Результаты показали, что разработанная наножидкость снизила удельную энергию шлифования на 91,78 и 80,25% по сравнению с сухой абразивной обработкой и шлифованием с помощью Acculub LB2000, соответственно, при содержании в СОЖ 0,1 мас. % графитовых нанопластинок.

 

Гибридность способов подачи смазочно-­охлажда-ющих технологических средств (СОТС) при шлифовании [24, 25] заключается в их комбинации друг с другом для повышения эффективности применения. При этом напорная струя сочетается с подачей СОТС через поры шлифовального круга или со струйно-­напорным, или контактным, или гидроаэродинамическим способами подачи.

 

Разработанный в 70‑х и 80‑х годах прошлого столетия метод Hi-jet-смазки и смазки разбрызгиванием можно считать родоначальником процессов обработки с минимальным количеством смазочного материала (Minimum Quantity Lubrication — MQL). Методы MQL на операциях металлообработки, включая шлифование, стали активно развиваться начиная с 2000‑х годов. Технология MQL — микросмазывания — предполагает использование СОЖ в виде спрея, капельным путём, в виде масляного тумана. Это позволяет добиться высокого качества обрабатываемой поверхности, значительно снизить расход СОЖ, исключить расходы на её утилизацию и практически избежать загрязнения оборудования [33]. Параметры подачи СОЖ могут составлять: расход 20…100 мл/ч при давлении воздуха 4…7 бар [33, 34].

 

С целью уточнения эффективности MQL по сравнению с «сухим» шлифованием и обработкой с потоком СОЖ в работе [34] были измерены распределения температуры в подповерхностном слое заготовок из закалённой стали 100Cr6 (ШХ15) с использованием встроенной термопары во время плоского маятникового шлифования.Исследования MQL показывают, что, несмотря на хорошую смазку, эта техника не может удовлетворить требования охлаждения при абразивной обработке по сравнению с шлифованием с потоком СОЖ в отношении кривых темпе

ратурного отклика, полученных в экспериментах и при аналитическом моделировании. По мнению авторов, это является основной причиной, ограничивающей широкое применение MQL в шлифовании [34].

 

Измеренный и расчётный средний коэффициент теплопередачи конвекции в контактной зоне при шлифовании с потоком СОЖ в более чем 33 раза превысил коэффициент теплопередачи при шлифовании с MQL, составляющий 900…1500 Вт/м2 K для одинаковых условий испытаний [34].

 

Среди исследователей процесса шлифования активно предпринимаются попытки повышения эффективности традиционного метода MQL за счёт гибридных решений, описанных в статье [35]. К ним относится дополнительное охлаждение зоны резания криогенными средами (жидкий азот, CO2). Однако дальнейшее развитие данного направления сдерживается сложностью конструкции подвода и хранения криогенных сред. Есть гибридное решение по использованию технологии подачи MQL в охлаждённом воздушном потоке (Cold Air with Minimum Quantity Lubrication — CAMQL) с применением вихревой трубы. Ещё одна гибридная идея — использование системы очистки круга потоком воздуха (Wheel Cleaning by an air Jet — WCJ) совместно с MQL. Применение метода обработки MQL + WCJ показало себя более эффективным, чем традиционное MQL.

 

Реализация перечисленных гибридных решений позволяет осуществить все основные функции СОЖ: смазывание — посредством использования минимального количества смазки, охлаждение — обдувание зоны резания воздухом с отрицательными температурами, очищение — обработка рабочей поверхности круга высокоскоростным потоком воздуха. Однако ограничение — низкий коэффициент теплопередачи конвекции в контактной зоне при шлифовании с MQL — остаётся.

 

 

ГИБРИДНЫЕ УЗЛЫ И ДЕТАЛИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

 

 

В узлах шлифовальных станков достаточно широко используются гибридные направляющие и подшипники. Так, в универсальном круглошлифовальном станке Studer S41 применяется гибридная система направляющих для обеспечения максимальной эффективности линейных двигателей, приводящих в движение суппорты станка со скоростью до 20 м/мин. Новый тип направляющей системы получил название StuderGuide. По данным компании, гибридная конструкция этой системы сочетает в себе преимущества как гидростатических, так и гидродинамических направляющих, чтобы удерживать суппорты в нужном состоянии как в неподвижном положении, так и в движении.

 

Как гидродинамическая система StuderGuide обеспечивает демпфирование в направлении движения и устраняет «плавание» узла. Как и гидростатическая система, она устраняет эффект «залипания-­проскальзывания», снижает износ направляющих, требует минимального обслуживания и выдерживает различное давление без регулировки — полезное преимущество для производителей, работающих с различными размерами и массами заготовок. Суппорта опираются на направляющие в диапазоне перемещения 950 мм, при этом обеспечивается прямолинейность менее 0,0025 мм. В совокупности эти особенности создают условия, при которых система StuderGuide гарантирует точное и быстрое позиционирование движущихся узлов.

 

В работе [36] рассматривается задача оптимального проектирования роторно-­опорной системы на подшипниках скольжения с активной смазкой. Несущая способность в гибридном подшипнике, состоящем из гидростатической и гидродинамической частей, создаётся совокупностью гидродинамического и гидростатического эффектов. Гидродинамическое действие возникает в виде реакций смазочного слоя при вращении ротора, а регулирующая сила является следствием гидростатического воздействия. В этом исследовании апробирован подход к оптимальному проектированию активных опор роторов с использованием эвристических оптимизационных алгоритмов, а именно генетического алгоритма (Genetic Algorithm — GA) и алгоритма роя частиц (Multi-­Objective Particle Swarm Optimization — MOPSO).

 

Представленные решения задачи многокритериальной оптимизации позволяют находить сбалансированные сочетания представленных критериев.

 

Гибридные подшипники, являющиеся комбинацией подшипников качения и гидродинамических подшипников скольжения [37], позволяют получить синергетический эффект в виде повышения эксплуатационных характеристик и надёжности опорных систем роторов. Они демонстрируют значительные улучшения в качестве опор ротора для экстремальных условий эксплуатации. 

 

На рис. 15 показаны конструкции таких гибридных подшипников, гарантирующих повышение надёжности и ресурса опорных узлов за счёт разделения и дублирования функций подшипников на различных режимах работы, что улучшает динамические характеристики и срок службы подшипникового узла, а также увеличивает грузоподъёмность и предел DN подшипника качения.

 

Рис. 15. Принципиальные схемы гибридных подшипников: (а) PLEX; (b) PSEX; (с) PSIN

 

 

Компании HQW Precision GmbH (Германия) и Barden Corporation (Великобритания) являются партнёрами, занимающимися производством суперпрецизионных подшипников качения, в том числе гибридных.

 

Гибридные шпиндельные подшипники качения используются при особенно сложных условиях эксплуатации. Внутреннее и наружное кольца изготавливаются из стали 100Cr6 (ШХ15) или из особо износоустойчивой стали SV30, а шарики — из керамики (нитрид кремния — Si3N4).

 

Керамические шарики, используемые вместо стальных, могут существенно улучшить эксплуатационные характеристики подшипников несколькими 
способами:
• Низкий уровень вибрации и шума. Уровни вибрации могут быть до семи раз ниже, чем у обычных стальных шариковых подшипников, за счёт того, что керамические шарики на 60% легче стальных, а их поверхность почти идеально гладкая. 
• Высокая скорость вращения. Керамические гибридные подшипники выделяют гораздо меньше тепла в работе, что позволяет увеличить предельно допустимую частоту вращения до 50%.
• Низкий износ и длительный срок службы. Доказано, что подшипники с керамическими шариками служат до пяти раз дольше подшипников со стальными шариками. Свой­ства, присущие нитриду кремния, позволяют в значительной степени устранить основную причину поверхностного износа обычных подшипников. Более низкие рабочие температуры также способствуют продлению срока службы смазочных материалов и обеспечивают отличные эксплуатационные характеристики при недостаточной смазке.
• Системы, оснащённые керамическими гибридами, демонстрируют более высокую жёсткость и более высокую собственную частоту колебаний, что делает их менее чувствительными к вибрации.

 

Известно [38], что динамическая жёсткость пропорциональна статической жесткости и демпфированию, а высокая степень демпфирования необходима для прецизионных шлифовальных станков, поскольку даже небольшие вибрации могут повлиять на качество обработанной поверхности. Например, динамические и тепловые характеристики передних бабок могут быть улучшены при использовании материалов, имеющих высокий удельный модуль упругости, высокое демпфирование и низкое тепловое расширение, и такими свой­ствами обладают армированные волокном композитные материалы.

 

В работе [39] исследовалась гибридная передняя бабка прецизионного шлифовального станка, которая была армирована пластинами из стекловолоконного эпоксидного композитного материала. С целью повышения производительности шлифовального станка были исследованы экспериментально и аналитически статические и динамические характеристики. По результатам измерений было установлено, что гибридная передняя бабка, состоящая из стальных пластин толщиной 10 мм, усиленных верхней и нижней композитными пластинами толщиной 10 мм с последовательностью укладки элементов, повернутых под углом 90° друг к другу, привела к увеличению жёсткости на 12% и коэффициента демпфирования в 2,1 раза по сравнению со стальной передней бабкой.

 

Таким образом, найден способ повышения демпфирующей способности передней бабки прецизионного шлифовального станка при использовании эпоксидного композита из стекловолокна.

 

На основании вышеизложенного можно утверждать, что гибридность в шлифовальных станках проявляется технологически и конструктивно в комбинированности, смешанности компонентов. Как свой­ство взаимосвязанных, взаимодействующих составляющих оно присуще процессу, инструменту, станку и отдельным его элементам, является одним из направлений их развития и создаёт в целом синергетический эффект применения.

 

 

Литература

1. Driessen Clemens. Hybridity. International Encyclopedia of Geography: People, the Earth, Environment and Technology: People, the Earth, Environment and Technology. 2016. C. 1–10.
2. Saxena K.K. et al. Overview of hybrid machining processes.  2018.
3. Grzesik W., Ruszaj A. Hybrid manufacturing processes.   Springer International Publishing, 2021.
4. Bhattacharyya B., Doloi B. Modern machining technology: Advanced, hybrid, micro machining and super finishing technology. Academic Press, 2019.
5. Luo X., Cai Y., Chavoshi S. Z. Introduction to hybrid machining technology // Hybrid Machining.  2018.  T. 27. C. 1–20.
6. Lauwers B. et al. Hybrid processes in manufacturing // CIRP annals.  2014.  Т. 63. № 2.  С. 561–583.
7. Chen H., Tang J., Zhou W. An experimental study of the effects of ultrasonic vibration on grinding surface roughness of C45 carbon steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2013.  Т. 68. С. 2095–2098.
8. Li S. et al. Improving the grindability of titanium alloy Ti6Al4V with the assistance of ultrasonic vibration and plasma electrolytic oxidation // CIRP Annals.  2017.  Т. 66.  № 1.  С. 345–348.
9. Kishore K. et al. A comprehensive review on the grinding process: advancements, applications and challenges // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science.  2022.  Т. 236.  № 22.  С. 10923–10952.
10. Ермолаев В.К. Повышение эффективности шлифования титановых сплавов — актуальные исследования // РИТМ машиностроения. 2024. № 4.  С. 50–58.
11. Ермолаев В.К. Перспективы развития зубошлифования // РИТМ машиностроения. 2023. № 6.  С. 38–44.
12. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю.  Эффективность объединения операций поверхностной закалки и шлифования на одном технологическом оборудовании // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2010.  № 4 (49).  С. 15–21.
13. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В. Повышение эффективности поверхностно-­термического упрочнения деталей машин в условиях совмещения обрабатывающих технологий, интегрируемых на единой станочной базе // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты.  2021.  Т. 23.  № 3.  С. 45–71.
14. millGrind Hybrid Machine. August 22, 2016. https://www.ctemag.com/products/millgrind-­hybrid-machine
15. Пушкарев О.И., Субботина Т.П. Шлифование труднообрабатываемых титановых сплавов композиционными абразивными материалами // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы.  2012.  С. 104–107.
16. Гаршин А.П., Шумячер В.М., Пушкарёв О.И. Керамический композиционный материал на основе карбида кремния и корунда с корундовой матрицей // Новые огнеупоры.  2016.  № 1.  С. 31–34.
17. Ермолаев В.К. Повышение эффективности шлифования титановых сплавов: актуальные исследования // РИТМ машиностроения. 2024. № 4.  С. 50–58.
18. Гончаров В.К., Гусаков Г.А., Пузырев М.В. Новые углеродные материалы на основе монокристаллов синтетического алмаза и алмазоподобных пленок для микроэлектроники.  2007.
19. Nascimento W.R. et al. A study on the viability of minimum quantity lubrication with water in grinding of ceramics using a hybrid-­bonded diamond wheel // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B: Journal of Engineering Manufacture.  2016.  Т. 230.  № 9.  С. 1630–1638.
20. Xia S. et al. Effective Promotion of Micro Damping of GO Hybrid PU–PF Copolymer Grinding Wheels on Precision Machining //Coatings.  2024. Т. 14.  № 5.  С. 632.
21. Beyer, P. HPB technology for Vit CBN grinding tools. Industrial Diamond Review.  2005. Vol. 1. C. 46–48.
22. Rabiey M. et al. Dressing of hybrid bond CBN wheels using short-­pulse fiber laser // Strojniški vestnik — Journal of Mechanical Engineering.  2012. Т. 58.  № 7–8.  С. 462–469.
23. Малышев В. и др. Особенности правки шлифовальных кругов с ультразвуковыми колебаниями правящего инструмента // Вектор науки Тольяттинского государственного университета.  2009.  № 1.  С. 24–31.
24. Резников А.Н. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник. М.: Машиностроение, 1977. С. 391.
25. Худобин Л.В. и др. Смазочно-­охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием.  2006.
26. Sharma V., Pandey P.M. (ed.). Additive and Subtractive Manufacturing Processes: Principles and Applications.  CRC Press, 2022.
27. Roy S. et al. A brief review on effects of conventional and nano particle based machining fluid on machining performance of minimum quantity lubrication machining // Materials Today: Proceedings.  2019.  Т. 18.  С. 5421–5431.
28. Said Z. et al. A comprehensive review on minimum quantity lubrication (MQL) in machining processes using nano-cutting fluids // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2019.  Т. 105.  С. 2057–2086.
29. Garcia Tobar M. et al. Nanotechnology in Lubricants: A Systematic Review of the Use of Nanoparticles to Reduce the Friction Coefficient // Lubricants.  2024.  Т. 12.  № 5.  С. 166.
30. Lee K. et al. Understanding the role of nanoparticles in nano-oil lubrication // Tribology letters.  2009.  Т. 35.  С. 127–131.
31. Esfe M.H., Bahiraei M., Mir A. Application of conventional and hybrid nanofluids in different machining processes: A critical review // Advances in Colloid and Interface science.  2020.  Т. 282.  С. 102–199.
32. Ibrahim A.M. M. et al. Energy conservation and environmental sustainability during grinding operation of Ti‑6Al‑4V alloys via eco-friendly oil/graphene nano additive and Minimum quantity lubrication // Tribology International.  2020.  Т. 150.  С. 106–387.
33. Handbook. A guide to machining with MQL. Tim Walker.  2013.
34. Hadad M., Sadeghi B. Thermal analysis of minimum quantity lubrication-­MQL grinding process // International Journal of Machine Tools and Manufacture.  2012.  Т. 63.  С. 1–15.
35. Митрофанов А.П., Паршева К.А. Новый подход для повышения эффективности применения при шлифовании технологии подачи минимального количества смазки // Проблемы машиностроения и надежности машин.  2021.  № 1.  С. 82–88.
36. Фетисов А.С., Литовченко М.Г., Шутин Д.В. Многокритериальная оптимизация активных гибридных подшипников скольжения посредством эвристических алгоритмов // Известия Юго-­Западного государственного университета.  2024.  Т. 28.  № 1.  С. 8–26.
37. Polyakov R.  Interaction of rolling-­element and fluid-film bearings dynamic characteristics in hybrid bearings // Procedia Engineering.  2017.  Т. 206.  С. 61–67.
38. Каминская В.В., Левина З.М., Решетов Д.Н. Станины и корпусные детали металлорежущих станков.  Рипол Классик, 2013.
39. Chang S. H. et al. Steel-composite hybrid headstock for high-precision grinding machines // Composite Structures.  2001. Т. 53.  № 1.  С. 1–8.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 1-2025