В статье проведен системный анализ возможностей лазерных технологий для преодоления фундаментальных ограничений традиционного шлифования путем воздействия на состояние абразивного инструмента и обрабатываемой детали и оценены перспективы их интеграции в современное высокоточное оборудование.

 

 

В.К. Ермолаев, к.т.н.,
технический эксперт ООО «МЗТО», 
vad1605@yandex.ru

 

 

 

АКТУАЛЬНОСТЬ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

 

 

Целесообразность внедрения лазерных технологий в высокоточное шлифовальное оборудование обусловлена базисными преимуществами когерентного, направленного и управляемого излучения по сравнению с традиционными механическими и даже стандартными электроэрозионными методами. Кроме того, традиционные технологии создания кругов, их подготовки, непосредственно съема материала, а также измерения и контроля на станке перемещений и отклонений, размеров и параметров шероховатости детали и, наконец, осуществления мониторинга режущей поверхности круга имеют целый ряд недостатков.

 

На рис. 1 с учетом работ [1–6] приведена схема, иллюстрирующая использование лазерных технологий в процессах: создания абразивного инструмента, подготовки его к работе, съема металла, проведения измерений и контроля непосредственно на шлифовальном станке, а также осуществление маркировки и идентификации шлифовальных кругов и обработанных деталей.

 

Рис. 1. Применение лазерных технологий в шлифовании

 

Ключевые преимущества лазерных технологий перечислены в таблице 1. Внедрение лазерных технологий в шлифовальные станки базируется на четырех столпах: точность, бесконтактность, скорость/гибкость и интегрируемость. Главное свой­ство лазера, характеризующее его ценность в метрологии и обработке, — это возможность передачи энергии или сбора информации без механического контакта, что обеспечивает минимизацию деформаций (ключ к точности). При анализе лазерного воздействия необходимо оперировать параметрами импульсных режимов (нано-, пико-, фемтосекундных) и плотностью мощности или потока энергии (Вт/см², Дж/см²), а не «температурой лазерного луча». Точность лазерных систем превосходит большинство традиционных механических методов.

 

Когерентность и направленность лазерного излучения позволяют при аддитивном производстве кругов точно контролировать зону спекания порошковых материалов, обеспечивая высокое качество изготовления кругов с контролируемой пористостью и распределением абразива.
Гибкость и скорость перепрограммирования (адаптивность) лазерных систем превосходят механические инструменты и это позволяет, например, мобильно проводить изменения профиля правящегося круга в соответствии с требованиями, тогда как в традиционном варианте применения алмазных правящих роликов (АПР) потребовалась бы замена дорогостоящего правящего ролика. Это значительно сокращает время переналадки.

 

При применении лазерных систем в целях изменения параметров контроля (например, осуществления перехода от измерения профиля к измерению шероховатости) достаточно просто изменить алгоритм обработки данных в системе ЧПУ.

 

В лазерной интерферометрии точность измерения перемещений может достигать долей длины волны (и лучше). Это позволяет с высокой точностью контролировать перемещение узлов станков и позиционирование инструмента. Фокусировка лазерного луча позволяет достигать субмикронных размеров рабочего пятна, что необходимо для создания точных микропрофилей на поверхности круга или детали.

 

Современные шлифовальные станки — это комплексные мехатронные системы. Лазерные датчики и системы обработки (например, конфокальные сканеры) легко интегрируются в общую архитектуру станка через стандартные промышленные шины данных (Ethernet, Profinet) для обратной связи с системой ЧПУ. Измеренные отклонения размеров детали или параметры шероховатости могут быть немедленно использованы системой ЧПУ для автоматической коррекции траектории инструмента во время шлифования (управление с обратной связью).

 

 

 

ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА И ДЕТАЛИ

 

 

Известно, что по мере обработки деталей на шлифовальных станках абразивный инструмент теряет свою форму и режущие свой­ства. Для их восстановления необходимо осуществлять разнообразные способы воздействия на шлифовальный круг. Согласно имеющимся данным, из общего объема изношенного материала круга в процессе шлифования лишь 10% приходится непосредственно на потерю в процессе съема припуска, а оставшиеся 90% теряются в ходе механической правки [7], т. е. процесс правки сопровождается значительной потерей материала шлифовального круга. Существующие методы непрерывной правки усугубляют ситуацию.

 

Традиционные методы правки — это процессы, основанные на механическом контакте правящего инструмента с рабочей поверхностью шлифовального круга, они обладают рядом фундаментальных ограничений, особенно при обработке высокоточных и сложнопрофилируемых кругов из суперабразивов на металлической и полимерной связках.

 

Правка единичным алмазом — метод, ориентированный на точное формирование профиля, — страдает от проблем, связанных с самим алмазом и его положением. Инструмент при использовании подвержен износу, выкрашиванию и эрозии. Профиль круга определяется положением, ориентацией и формой контактирующей с ним вершины алмаза. Кроме того, износившийся алмазный инструмент, имеющий площадку износа, при правке создает небольшие площадки на рабочих зернах правящегося круга, тем самым изменяя его режущую способность и внося нестабильность в результаты топографии абразивного инструмента.

 

Правка единичным алмазом является медленным процессом. Недостаточная жесткость прибора правки и возникающие вибрации оснастки транслируются в ошибку профиля круга.

 

Создание АПР с необходимым сложным криволинейным профилем является трудоемким, дорогим и длительным процессом. Чем сложнее профиль, тем труднее и дороже изготовить ролик, способный воспроизвести его в режиме правки. Любая ошибка в изготовлении ролика приводит к постоянной ошибке на всех обрабатываемых кругах до тех пор, пока ролик не будет переправлен или заменен. Ролик также изнашивается, и этот износ постепенно приводит к затуплению острых режущих кромок на шлифовальном круге, что снижает качество поверхности детали. АПР удаляют значительный объем связки, но часто неспособны создать идеальную микротопографию, характерную для высококачественного кондиционирования (которое высвобождает зерна без их разрушения).

 

Средства правки требуют периодического контроля, что удлиняет производственный цикл. Алмазная правка может приводить к появлению различных поверхностных и подповерхностных дефектов, таких как трещины, которые создают преждевременное разрушение шлифовального круга во время обработки.

 

Традиционная правка является дискретным процессом. Невозможно отслеживать точность правки в реальном времени без остановки станка и вывода инструмента для метрологической проверки.

 

В сравнении с лазерными методами традиционная правка характеризуется необратимым износом правящего инструмента, высокой чувствительностью к ошибкам позиционирования и ограниченной гибкостью при создании сложных, несимметричных профилей.

 

Уточнение возможностей лазерных технологий по подготовке шлифовального круга к эффективному резанию целесообразно провести с пояснением ряда терминов.

 

Новым (для отечественной научно-­технической литературы) является термин «кондиционирование (сonditioning) шлифовального круга», означающий приведение режущей поверхности абразивного инструмента в требуемое для эффективной работы состояние.

 

Кондиционирование является общим понятием и включает в себя все процессы подготовки и регенерации микро- и макрогеометрии шлифовального круга. Согласно классификации [8], кондиционирование подразделяется на: правку и выправление (dressing and truing), включающие профилирование и заточку, а также чистку — удаление остатков стружки, свободных зерен и связующих материалов. Дополнительно в систему кондиционирования входит структурирование поверхности круга как дополнительный этап подготовки. Структурирование выполняется двумя методами: прямым, в процессе изготовления формы круга, и косвенным — прорезанием на готовом круге канавок с помощью процессов удаления материала. Лазерное структурирование является одним из современных методов структурирования и входит в общую систему кондиционирования как технологическое решение для: создания микроструктур, формирования режущего слоя, модификации рабочей поверхности круга (РПК).

 

В таблице 2 собраны лазерные операции воздействия на абразивный инструмент, приводящие к требуемому состоянию РПК.

 

 

По принятой классификации [1], лазерное кондиционирование относится к термическим видам наиболее распространенных нетрадиционных процессов кондиционирования абразивного инструмента. При лазерном кондиционировании шлифовального круга [9] энергия инфракрасных фотонов (обычно от волоконных, CO₂- или диодных лазеров) поглощается телом круга (связкой, наполнителем, самими абразивными зернами или продуктами износа). Результатом является резкий нагрев, приводящий к плавлению, испарению, возгонке или термохимическому разложению материала. В результате происходит изменение микроструктуры и геометрии поверхности круга (удаление затупленных зерен, выравнивание микрорельефа, очистка пор).

 

Рис. 2 иллюстрирует основной принцип лазерной правки [10], при которой используется оптическая система для фокусировки лазерного луча в очень маленькое пятно на поверхности шлифовального круга, благодаря чему материал на поверхности шлифовального круга можно нагревать до плавления или испарения за очень короткое время.

 

Рис. 2. Схема лазерной правки

 

 

При одинаковом времени воздействия лазера мощность, необходимая для достижения точки плавления зерен сверхтвердых кругов, на несколько порядков выше, чем для плавления связки, из-за большой разницы в их физических свой­ствах. Контролируя параметры лазерной обработки, можно выборочно удалять определенное количество связки, не повреждая суперабразивные зерна, вызывая выступания зерен и образуя пространство для стружки на поверхности шлифовального круга, тем самым достигая цели заточки (вскрытия режущих кромок) суперабразива [11].

 

Во время обработки суперабразивного круга лазером при достаточно высокой плотности мощности лазера абразивные частицы и связующее вещество на поверхности шлифовального круга могут быть удалены одновременно. Шлифовальный круг с различными абразивами и связующими веществами может быть обработан лазерным воздействием по всей поверхности [12].
 

 

Рис. 3 схематично иллюстрирует установку, используемую для радиальной правки алмазных кругов на бронзовой связке импульсным лазером [12]. В данной конфигурации компактный импульсный иттербиевый волоконный лазер, имеющий приблизительно гауссово распределение энергии на выходе, использовался для передачи лазерного луча в головку для абляции. На тракт устанавливается стандартный изолятор, а оптическая сборка закрепляется на двухкоординатном позиционирующем столе. Луч падает на поверхность шлифовального круга по нормали. Для боковой подачи технологического газа использовалось сопло; его назначение — удаление расплавленных продуктов эрозии (брызг) из зоны лазерной абляции и одновременное охлаждение этой зоны. Это позволяет уменьшить слой поврежденных алмазных зерен на поверхности круга и снизить риск растрескивания, вызванного термическими напряжениями [11].

 

Рис. 3. Схема устройства, используемого для импульсной лазерной правки

 

 

Для осуществления разных технологических задач лазерный луч, управляемый многокоординатной системой ЧПУ, может быть направлен [11–14] перпендикулярно или по касательной к РПК (рис. 4). При перпендикулярном направлении луча к облучаемой поверхности круга формируется зона воздействия равномерной формы. Данная схема является оптимальной для очистки круга и контролируемого выбора связки с целью затачивания абразивных зерен.

 

Рис. 4. Схема лазерного кондиционирования алмазных кругов в радиальном или тангенциальном направлениях

 

 

В отличие от традиционных процессов затачивания, при радиальном облучении не формируются опорные мостики связки за абразивными зернами, которые оказывают зерну поддержку и, как следствие, положительно влияют на износ круга [15].

 

Лазерное профилирование круга при тангенциальном направлении луча относительно круга позволяет как формировать опорные мостики связки, так и устранять ошибки округлости. Однако для достижения скорости процесса, сопоставимой с радиальной схемой, при тангенциальном облучении требуется большая мощность луча, поскольку площадь облучения увеличивается, а фокус луча используется лишь частично.

 

При лазерном кондиционировании такие влияющие факторы, как мощность луча, время облучения и расстояние расфокусировки, должны быть настроены таким образом, чтобы за счет нагрева поверхности круга достигалось требуемое плавление и в конечном итоге необходимое удаление элементов абразивного слоя и стружки, забившей поры в этом слое.

 

 

Лазерная правка применяется в основном для шлифовальных кругов из сверхтвердых абразивов (CBN, алмаз). В своих работах [16, 17] авторы исследований наблюдали, как мощный лазер вызывает плавление и испарение связующего материала, удерживающего зерна. Они сделали вывод, что благодаря быстрому затвердеванию лазерная обработка шлифовального круга приводит к образованию более желаемой поверхности, состоящей из многогранных зерен. Размер и форма граней могут контролироваться путем регулирования интенсивности лазерного луча. Khangar A.A. и его коллеги [18] сообщили о наличии улучшенной микроструктуры и уменьшении микросегрегации в круге, обработанном лазером, по сравнению с кругом, обработанным традиционным механическим способом. 

 

Таким образом, из перечисленных исследований можно сделать вывод, что управляемое лазерное кондиционирование определенно имеет преимущества для традиционных кругов по сравнению с механической обработкой.

 

На рис. 5 представлены морфологические изменения поверхности круга после лазерной правки [16]. Поверхность образца шлифовального круга из 99,52% Al2О3 со средним размером зерен около 220 мкм была обработана оптоволоконным лучом непрерывного излучения 
Nd:YAG-лазера HAAS мощностью 4 кВт. Наблюдалось, что расплавленный оксид алюминия затекает в поры круга, но из-за чрезвычайно высокой скорости охлаждения (>103 °C ∙ с^–1), затвердевает, не заполняя их все. Результатом быстрой кристаллизации, связанной с лазерной обработкой, является образование многогранных полигональных зерен с микропорами между ними (рис. 5д). Каждое из этих многогранных зерен функционирует как микролезвие с четко выраженной геометрией, что способствует улучшению характеристик чистового шлифования. В связи с изложенным представляет интерес исследование лазерной правки высокоструктурных шлифовальных кругов.

 

Схема традиционной и лазерной правки поверхности шлифовального круга

Схема традиционной и лазерной правки поверхности шлифовального круга

Рис. 5. Схемы правки и морфологии поверхности шлифовального круга, обработанного лазером

 

Детальное исследование влияния параметров лазерного воздействия на микроструктурные особенности показало увеличение размера зерен ограненной поверхности при плотности потока лазерного излучения от 458 до 726 Дж/см². Данная структура, по мнению авторов, обеспечивает лучшую проницаемость для СОЖ и увеличивает площадь для размещения стружки, тем самым снижая эффект засаливания круга.

 

Авторы [16] отметили, что характеристики поверхности обработанного лазером шлифовального круга (размер граненого зерна и глубина плавления) могут хорошо контролироваться параметрами лазерного воздействия, что делает лазеры удобными и гибкими инструментами для технологической правки. В работе [11] проводится сравнение характеристик правки и профилирования при лазерном и традиционном механическом методах. Приведенные в таблице 3 технологические факторы демонстрируют преимущество лазерного воздействия на шлифовальный круг по сравнению с существующими методами.

 

Дальнейшее развитие лазерного кондиционирования шлифовальных кругов идет по пути гибридных способов. Метод, объединяющий механическую правку алмазным инструментом с правкой лазером, называется гибридной лазерно-­механической правкой или методом лазерно-­вспомогательного профилирования и правки [19]. На рис. 6 проиллюстрирован принцип метода.

 

Рис. 6. Схема лазерно-­вспомогательной правки
 

 

Сфокусированный лазерный луч располагается над алмазным инструментом, который находится немного позади фокального пятна вдоль оси круга. За счет нагрева сфокусированным лазерным излучением керамическая связка круга размягчается или расплавляется. Это облегчает пластичное удаление материала хрупкой связки при правильном подборе параметров лазерного нагрева и условий правки, что, в свою очередь, позволяет эффективно улучшить качество правки и снизить износ правящего инструмента.

 

По сравнению с традиционной правкой единичным алмазом данный метод обладает более высокими эксплуатационными характеристиками с точки зрения эффективности профилирования, точности, износа инструмента, получаемого профиля круга и удельных усилий.
Благодаря лазерному воздействию в лазерно-­вспо-могательной правке может быть применена значительно большая глубина правки по сравнению с традиционной механической правкой, что объясняется эффектом лазерного нагрева. Это повышает эффективность правки для достижения требуемого уровня некруглости. Более того, как было показано, скорость износа алмазного инструмента при лазерно-­ассистированном профилировании значительно ниже, чем при механическом.

 

В исследовании [20] сравнивались обычный ультразвуковой вибрационный способ правки и комбинированный метод ультразвуковой вибрационной лазерной правки алмазного шлифовального круга 1A1 150×10×32×5 MBD120M100 единичным алмазом, с углом при вершине 60 градусов, в условиях шлифования керамики со скоростью подачи заготовки 6 м/мин и глубине 0,1 мм. Параметры лазера: мощность — 180–240 Вт, частота — до 110 кГц, диаметр лазерного пятна — 0,6–2 мм.

 

В процессе правки сфокусированный лазерный луч нагревал вращающийся круг перед точкой правки, используя соответствующий угол падения, расстояние, время нагрева и плотность энергии. На единичный алмаз оказывалось ультразвуковое вибрационное воздействие с частотой 35 кГц. При использовании комбинированного метода правки алмазные зерна, хотя и имели небольшие разрушения, в основном оставались неповрежденными.

 

По результатам испытаний авторы делают вывод о том, что при одинаковых параметрах шлифования с применением лазерно-ультразвукового комбинированного метода правки абразивные частицы круга могут быть более выступающими и острыми. Круг, обработанный комбинированным методом правки, превосходит круг, обработанный обычным методом ультразвуковой вибрационной правки, по морфологии РПК и характеристикам шлифования, что подтверждается данными рис. 7.

 

Рис. 7. Сравнение нормального усилия шлифования при различных способах правки круга

 

Эффект лазерного структурирования шлифовальных кругов (рис. 8) основан на принципе уменьшения количества активных абразивных зерен с целью значительного снижения трения и, следовательно, тепловыделения [2, 4]. Увеличенные стружечные пространства и поры способствуют переносу СОЖ, улучшению охлаждения контактной зоны шлифования и оптимизации отвода стружки. Кроме того, уменьшается количество статических и кинематических режущих кромок, а следовательно, и доля упругих и пластических деформаций, на 15–40% при шлифовании. 

 

Рис. 8. Варианты структурирования поверхности суперабразивных шлифовальных кругов

 

 

Все это способствует снижению технологических усилий Fn и Ft до 20% и предотвращает термическое повреждение поверхностного слоя обрабатываемых поверхностей [2].
На рис. 9 представлены результаты термографических исследований, полученные при сухом круглом шлифовании стали 100Cr6 твердостью 56 HRC шлифовальным кругом с обычной правкой (слева) и шлифовальным кругом с лазерной структурой (справа). Хорошо видно, что лазерная структуризация приводит к снижению тепловыделений как в заготовку, так и в шлифовальный круг.

 

Рис. 9. Сухое шлифование 100Cr6 обычным кругом (слева) и лазерно-­структурированным (справа)

 

Лазерная очистка круга (Laser cleaning) — это важный самостоятельный процесс, особенно актуальный для поддержания стабильности высокоточного шлифования. Суть процесса состоит в удалении загрязняющих материалов (металлической стружки, частиц связки, забивших поры) с поверхности круга за счет абляционного воздействия коротких лазерных импульсов.

 

Для операции лазерной очистки требуется меньшая мощность, чем для правки. В работе [21] шлифовальный круг на керамической связке был использован для шлифования образцов инконеля. Как видно на рис. 10а, материал инконель (светлые участки) прилип к поверхности шлифовального круга после обработки образца. На рис. 10б показан тот же участок круга после лазерной чистки с параметрами: длительность импульса — 0,2 мс, частота импульса — 98 Гц, смещение фокуса — 10 мм.

 

Частота лазерного импульса также может контролировать уровень лазерного излучения. На рис. 10 показаны результаты эффективной лазерной очистки круга. Расплавленные стружки превратились в темные сферы, разбросанные под поверхностью и стремящиеся вылететь из круга при его вращении на высокой скорости. Это продемонстрировало, что очистка круга может быть достигнута за счет плавления и испарения стружки.

 

а) Вид поверхности шлифовального круга после шлифования     б) Результат проведенной лазерной очистки
Рис. 10. Сравнение поверхности круга до и после лазерной очистки

 

 

Применяемые типы лазеров при очистке: импульсные волоконные лазеры, Nd:YAG-лазеры. Режим работы: импульсный с длительностью импульсов в нано- или микросекундном диапазоне.

 

Механизм действия заключается в быстром нагреве поверхности загрязнения лазерным импульсом, приводящем к испарению загрязняющих материалов или резкому расширению и отслаиванию их от поверхности связки.

 

Для осуществления требуется система точного позиционирования луча (сканирующая оптика), необходимость защиты оператора и оборудования от продуктов абляции (дым, мелкие частицы) системой вентиляции и дымоудаления. Может выполняться как in-process (во время пауз в шлифовании), так и offline. Характеристики применяемого лазерного оборудования можно выбирать с учетом работы [22] и по результатам экспериментальной проверки на станке.

 

Целесообразно сравнить лазерную очистку с классической гидроочисткой — (также известной как гидроабразивная очистка, или очистка струей воды под высоким давлением, табл. 4).

 

 

Суть гидроочистки: физическое вымывание и выбивание загрязнений из пор круга струей воды под очень высоким давлением. Оборудование — специальная насосная станция высокого давления (до 2000 бар и выше), форсунки из сверхтвердых материалов (например, алмазные) и система подготовки воды. Механизм действия — кинетическая энергия струи воды разрушает адгезию между частицами стружки и связкой круга. Образование большого количества загрязненной водяной взвеси требует применения систем отвода и фильтрации. Существует высокий уровень шума и риск разбрызгивания СОЖ по всему рабочему пространству станка.

 

Таким образом, лазерная очистка — это технология будущего для высокоточной и автоматизированной обработки. Она обеспечивает высокое качество очистки без повреждения инструмента, идеально вписывается в концепцию 
Индустрии 4.0 благодаря легкой автоматизации. Ее главные недостатки — высокая начальная стоимость и сложность.

 

Гидроочистка — это проверенная, мощная, но грубая технология. Она эффективна для интенсивной очистки крупнозернистых кругов, где не предъявляются высокие требования к сохранности микрорельефа. Ее основные проблемы — экологичность, высокие эксплуатационные расходы и риск повреждения дорогостоящего инструмента.

 

Вывод: для шлифовальных станков четвертого поколения, где ключевую роль играют интеллектуальный инструмент, стабильность процесса и минимальное вмешательство оператора, лазерная очистка является явно предпочтительным и стратегически правильным выбором, несмотря на более высокие капиталовложения.

 

Лазеры с ультракороткими импульсами (холодная абляция) облегчают обработку различных материалов благодаря высокой управляемости, точности и селективности [2]. Твердые и труднообрабатываемые материалы могут быть подвергнуты абляции с минимальным остаточным повреждением и термической деградацией. Однако одной лазерной обработки недостаточно для достижения требуемого качества поверхности. В процессе гибридного лазерного шлифования на поверхности заготовок с помощью пикосекундного лазера перед кругом (рис. 11) создаются специальные микроструктуры с заданным рисунком. 

 

Рис. 11. Схематическое изображение процесса лазерного шлифования

 

 

Это приводит к удалению части материала заготовки в виде канавок и выемок заданной геометрии. Их размеры можно точно регулировать, тщательно подбирая параметры лазера. В этом случае наблюдается значительное снижение усилий шлифования благодаря созданным в заготовке структурам. Это объясняется тем, что, с одной стороны, удаляется меньше материала, а с другой — преднамеренное лазерное повреждение материала заготовки облегчает процесс удаления материала. Контролируя глубину лазерного повреждения, можно полностью удалить его при последующем шлифовании.

 

Эффективность лазерного воздействия на круг достигается благодаря прецизионному управлению тремя параметрами: 1) длительностью импульса, 2) плотностью энергии, 3) стратегией сканирования, то есть ориентацией луча и степенью перекрытия пятен, что является третьим краеугольным камнем технологии.

 

Сформулируем по направлениям ответы на главный вопрос: как лазерные технологии решают фундаментальные проблемы и противоречия шлифования?

 

 

- Борьба со стохастическим распределением абразивных зерен.

 

Существующая проблема: хаотичное расположение и неконтролируемая геометрия режущих кромок — главный источник нестабильности, вибраций и низкой предсказуемости процесса. Лазерное структурирование (LS) кардинально меняет ситуацию. Оно позволяет создать на круге детерминированную поверхность с заданным распределением режущих зерен. Это повышает равномерность нагрузки, улучшает отвод стружки и охлаждающей жидкости, радикально повышает стабильность и предсказуемость процесса. Таким образом, лазер не просто «сосуществует» со стохастичностью, а активно ее устраняет, переводя процесс на качественно новый уровень.

 

 

- Снижение риска возникновения прижогов.

 

Существующая проблема: прижоги возникают из-за высоких температур в зоне резания, вызванных большими усилиями и плохим отводом тепла. Лазерные воздействия LAG/HLG (LAG — Laser Assisted Grinding — лазерное шлифование и HLG — Hybrid Laser Grinding — гибридное лазерное шлифование) пластифицируют материал, что позволяет снизить усилия резания на 30–50% и более. Меньшие усилия — меньше механической энергии переходит в тепловую. LS: структурированный круг имеет пространство для эффективного подвода СОЖ непосредственно в зону резания и для отвода стружки, которая царапает поверхность и генерирует дополнительное тепло. LC: чистый круг не засаливается, сохраняет остроту и режет, а не трет, что также снижает тепловыделение. Вывод: лазерные технологии адресно атакуют коренные причины возникновения прижогов — высокие усилия резания и плохой теплоотвод.

 

- Обеспечение высокой точности и качества  поверхности.

 

Существующая проблема: высокое качество требует минимальных усилий, отсутствия вибраций и точной геометрии инструмента. Решение лазерных технологий: 
LD/LP — обеспечивают идеальную геометрию и балансировку круга, что является фундаментом для высокой точности обработки. LS, LAG/HLG — снижая усилия резания и вибрации, напрямую ведут к снижению шероховатости и повышению целостности поверхностного слоя (отсутствие трещин, наклепа). Лазерный контроль обеспечивает обратную связь и возможность оперативного вмешательства, закрывая контур контроля качества.

 

 

- Разрешение противоречия  «производительность и качество».

 

Существующая проблема: в традиционном шлифовании повышение производительности (скорости съема металла) ведет к росту усилий, температур и, как следствие, к падению качества. Решение лазерных технологий: гибридное лазерное шлифование (HLG) является прямым ответом на это противоречие. Лазер размягчает материал, позволяя абразивному зерну снимать стружку с меньшим усилием. Это означает, что при том же усилии можно увеличить скорость подачи или глубину шлифования (рост производительности), при этом температура и силы останутся низкими (сохранение высокого качества). Фактически лазер берет на себя часть работы, которую в традиционном процессе выполняет исключительно абразивное зерно с негативными тепловыми последствиями.

 

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ В ИЗГОТОВЛЕНИИ ИНСТРУМЕНТА И В СТАНКАХ

 

 

Как показывает анализ информации на сайтах ведущих компаний — производителей абразивных инструментов, эти предприятия занимаются целенаправленным исследованием лазерных технологий изготовления шлифовальных кругов. Инновации направлены на изучение и внедрение эффективных технологий: импульсной лазерной абляции (PLA или PLAD), селективного лазерного спекания (SLS) и лазерного сплавления порошкового слоя (LPBF/SLM). В таблице 5 с учетом работы [5] приведены сравнительные данные по традиционной и лазерным технологиям производства шлифовальных кругов.

 

 

Прямое упоминание конкретных моделей кругов, сделанных по PLA, SLS, LPBF/SLM, встречается редко, так как это часто ноу-хау или пилотные проекты. Однако ведущие производители активно ведут R&D в этом направлении. 
3M (США) опубликовала исследования по лазерному структурированию своих CBN-кругов для повышения эффективности. Saint-­Gobain Abrasives (Франция, бренды Norton | Winter) является одним из лидеров в области инноваций, активно исследует и патентует методы лазерной обработки и аддитивные технологии для создания кругов со сложной структурой. Tyrolit (Австрия) инвестирует в передовые исследования, включая лазерные методы правки, структурирования и производства. Krebs & Riedel (Германия) специализируется на алмазных и CBN-кругах, использует лазерную сварку и исследует лазерное структурирование шлифовальных кругов. Специализированные научные центры и стартапы во многих университетах (например, RWTH Aachen в Германии, Fraunhofer IPT) работают над применением аддитивных технологий для абразивных инструментов, но их продукты пока не вышли на массовый рынок.

 

Таким образом, на сегодняшний день лазерные технологии в производстве кругов находятся на первых этапах внедрения, в основном в стадии активных НИОКР и пилотных проектов.

 

Рассмотренные лазерные технологии: лазерная правка (LD), лазерное структурирование (LS), лазерное профилирование (LP), лазерная очистка (LC), гибридное лазерное шлифование — на сегодняшний день являются в большей степени технологическими опциями, а не стандартной характеристикой серийных моделей станков. Они интегрируются в станки по индивидуальному заказу или в рамках специализированных исследовательско-­промышленных комплексов. Основное применение — обработка труднообрабатываемых материалов (титановые, никелевые сплавы, керамика, металлические композиты) в аэрокосмической, энерготурбинной и инструментальной отраслях. Для получения конкретного промышленного решения с применением лазерных технологий в шлифовании заказчик должен сформулировать техническое задание не на конкретную модель станка, а на разработку технологического комплекса. Такой комплекс создается путем кооперации между производителями шлифовальных станков (например: Blohm, JUNKER, United Grinding и др.), производителями лазерных систем (например: IPG Photonics, TRUMPF, Rofin и др.) и технологическими институтами [22]. Серийно же наиболее доступна опция лазерной правки (LASERLine) на прецизионных станках немецких производителей.

 

В таблице 6 приведена информация о типах, физических принципах, режимах работы и ключевых характеристиках лазеров, применяемых при шлифовании.
Сводные сведения по возможному промышленному применению лазерных технологий в шлифовальных станках собраны в таблице 7.

 

 

ПЕРСПЕКТИВЫ ШИРОКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В ШЛИФОВАЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ

 

 

Указанные выше оригинальные особенности и противоречия шлифования в значительной степени определяют и требуют использования именно лазерных технологий. Традиционные методы подхода к шлифованию (механическая правка, эмпирический подбор режимов) являются компромиссными и не могут кардинально решить его фундаментальные проблемы. Лазерные технологии предлагают не эволюционный, а революционный подход:
• Они переводят процесс из категории стохастического в категорию детерминированного и управляемого.
• Они позволяют управлять свой­ствами материала обрабатываемой детали непосредственно в зоне резания (LAG/HLG), что невозможно при чисто механическом воздействии.
• Они обеспечивают бесконтактное, высокоточное управление состоянием инструмента на всех этапах его жизни (от создания до восстановления).

 

Лазерные технологии не просто улучшают шлифование, а трансформируют его в гибридный, высокотехнологичный процесс, позволяющий достигать ранее несовместимых показателей производительности и качества, особенно при обработке современных труднообрабатываемых материалов.

 

Интеграция лазерных технологий открывает путь к созданию гибридных или полностью лазерно-­шлифовальных станков, что существенно повышает их гибкость, точность и интеллектуальность. Ключевые перспективные направления:

 

1. Полная цифровая цепочка обработки (Digital Twin): комбинация лазерной обработки (правка, структурирование) и лазерного контроля (in-process) в одном контуре управления. Данные контроля в реальном времени используются для автоматической коррекции параметров лазерной правки круга, создавая замкнутый адаптивный цикл без вмешательства оператора.

 

2. Аддитивно-­субтрактивные гибридные системы: использование лазера (например, волоконного с высокой мощностью) не только для подготовки круга, но и для предварительной или промежуточной лазерной обработки самой детали (например, лазерное насечение канавок, лазерное упрочнение перед шлифованием). Станок становится многофункциональным центром.

 

3. Интеллектуальное структурирование и кондиционирование: развитие алгоритмов на основе ИИ для проектирования и нанесения с помощью ультракороткоимпульсных лазеров оптимальных микрорельефов на поверхность шлифовальных кругов (в т. ч. алмазных и CBN) под конкретную задачу (материал, требуемая шероховатость, стойкость инструмента). Это позволит кардинально повысить эффективность процесса.

 

4. Расширенный in-process контроль: внедрение более сложных лазерных систем диагностики, например, лазерно-­ультразвуковых, для выявления подповерхностных дефектов после шлифования или конфокальных датчиков для контроля 3D-геометрии детали без съема со станка.

 

5. Роботизация и гибкость: интеграция лазерных головок на роботизированные манипуляторы позволит автоматически выполнять все вспомогательные операции (правка, чистка, контроль) для разных типов кругов в одной установке, что идеально для мелкосерийного и единичного производства.

 

Основные вызовы на пути внедрения: высокая начальная стоимость, необходимость разработки сложного программного обеспечения для синхронизации всех процессов, а также потребность в квалифицированных кадрах для обслуживания таких комплексных систем.

 

Таким образом, будущее заключается в трансформации шлифовального станка из узкоспециализированного оборудования в универсальный, «умный» технологический модуль, где лазер выступает ключевым инструментом для подготовки, контроля и расширения возможностей основного абразивного процесса.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Azarhoushang B. et al. Tribology and fundamentals of abrasive machining processes. — William Andrew, 2021.
2. Azarhoushang B. et al. Einsatz des Lasers in der Schleiftechnologie // Moderne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung: neue Entwicklungen und Trends aus Forschung und Praxis/12. Seminar 2018. — Hochschule Furtwangen University, 2018.  С. 4a‑1‑4a‑14.
3. Ермолаев В.К. Лазерные измерительные технологии в шлифовании // РИТМ машиностроения. 2023. № 1. С. 34–41.
4. Ермолаев В.К. Прогресс шлифовальных кругов с управляемым рельефом // РИТМ машиностроения. 2021. № 8. С. 30–39.
5. Ермолаев В.К. Лазерные технологии создания шлифовальных кругов // РИТМ машиностроения. 2024.  № 1. С. 52–59.
6. Ермолаев В.К. Шлифование 4.0: актуальность, признаки, отличия, средства измерения // РИТМ машиностроения. 2025. № 6. С. 60–71.
7. Buttery T.C. et al. Some effects of dressing on grinding performance // Wear.  1979. Т. 55. № 2.  С. 195–219.
8. Walter C., Komischke T., Kuster F., Wegener K. Laser-structured grinding tools — Generation of prototype patterns and performance evaluation. Journal of Materials Processing Technology. 2014. Apr. 1. 214(4): 951‑961.
9. Jiang Z., Yang S., editors. Precision Machines. Springer, 2020.
10. Hosokawa A., Ueda T., Yunoki T. Laser dressing of metal bonded diamond wheel. CIRP annals. 2006. Jan. 1. 55(1): 329‑332.
11. Ding W., Li H., Zhang L., Xu J., Fu Y., Su H. Diamond wheel dressing: a comprehensive review // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2017. Dec. 1. 139 (12).
12. Deng H., Chen G. Y., Zhou C., Li S. C., Zhang M. J. Processing parameter optimization for the laser dressing of bronze-­bonded diamond wheels. Applied Surface Science. 2014. Jan. 30. 290: 475‑481.
13. Deng H., Chen G. Y., Zhou C., Zhou X.C., He J., Zhang Y. A theoretical and experimental study on the pulsed laser dressing of bronze-­bonded diamond grinding wheels. Applied surface science. 2014. Sep. 30. 314: 78‑89.
14. Chen G., Deng H., Zhou X., Zhou C., He J., Cai S. Online tangential laser profiling of coarse-­grained bronze-­bonded diamond wheels. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Aug. 79(9). 1477‑1482.
15. Hoffmeister H.W., Maiz K. Laserkonditionieren hochharter Schleifwerkzeuge. 10. Internationales Braunschweiger Feinbearbeitungskolloquium. 2002.
16. Harimkar S.P., Dahotre N. B. Evolution of Surface Morphology in Laser-Dressed Alumina Grinding Wheel Material // International journal of applied ceramic technology.  2006.  Т. 3. № 5. С. 375–381.
17. Jackson M.J., Robinson G. M. Development of morphology in laser dressed grinding wheels //Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering.  2007.  Т. 22. № 1.  С. 81–84.
18. Khangar A.A., Kenik E.A., Dahotre N.B. Microstructure and microtexture in laser-­dressed alumina grinding wheel material // Ceramics international.  2005.  Т. 31. № 4.  С. 621–629.
19. Zhang C., Shin Y.C. A novel laser-­assisted truing and dressing technique for vitrified CBN wheels. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2002. May 1;42(7):825‑835.
20. Yang Z.B., Yang R.Y., Zhang Z. Laser / ultrasonic-­vibration combined dressing technique for diamond grinding wheels // Design, Manufacturing and Mechatronics: Proceedings of the International Conference on Design, Manufacturing and Mechatronics (ICDMM2016).  2017.  С. 260–267.
21. Jackson M.J. et al. Laser cleaning and dressing of vitrified grinding wheels // Journal of Materials Processing Technology. 2007.  Т. 185.  № 1–3.  С. 17–23.
22. Игнатов А.Г. Российский рынок лазерного технологического оборудования для обработки материалов — 2024. Часть 1 // РИТМ машиностроения. 2024. № 6. С. 38–48.

 

 

 

Экспертное мнение

 

 

Как Вы считаете, перспективно ли применение лазерных технологий для шлифовального оборудования, для правки и создания шлифовального инструмента?

 

На наш взгляд,  применение лазерных технологий особенно перспективно при высокоточном шлифовании для изменения профиля правящего круга, правки шлифовальных кругов из сверхтвердых абразивов. Очевидные преимущества дает

лазерно- вспомогательная правка и лазерная очистка шлифовального круга.

Можно создать круги с уникальными, оптимизированными структурами (например, с внутренними каналами охлаждения, переменной пористостью или нестандартным профилем), невозможными при традиционном прессовании. 

Возможно локальное изменение состава,  например, более твердый абразив по краю и более вязкая связка в центре для прочности. Преимущество также в быстром прототипировании и изготовление штучных, специализированных кругов под конкретную уникальную задачу Лазерное воздействие на обрабатываемую поверхность  позволяет повысить эффективность обработки, особенно при использовании лазерно-структурированного шлифовального круга.

Лазерное структурирование в процессе его изготовления тоже дает интересные преимущества в процессе эксплуатации.

Изготовление шлифовальных кругов по PLD, SLS, LPBF/SLM технологиям может быть эффективно для изготовления специальных шлифовальных кругов, но с некоторыми оговорками (производительность, скорость, ограниченность выбора материалов, прочностные характеристики) . Для эффективного использования вышеуказанных преимушеств на производстве необходима разработка подробных методических регламентов по настройке лазерной системы. Причем они должны быть разработаны для процессов шлифования деталей из широкой гаммы материалов.

Необходима также и экономическая оценка применения данных технологий.

 

Алексей Меньшов, Генеральный директор IMTECH 

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 1-2026