Традиционные технологии изготовления шлифовальных кругов в ближайшие годы исчерпают свой потенциал совершенствования. В этой связи чрезвычайно актуален поиск технологий создания абразивного инструмента, основанных на новых физических принципах, направлений развития и повышения эксплуатационных свой­ств инструмента, применение которого постоянно растет. В качестве одного из наиболее перспективных вариантов рассматривается использование лазера в процессах изготовления шлифовальных кругов из сверхтвердых абразивов — алмаза и кубического нитрида бора.

 

 

Лазерная обработка делает возможным повысить эффективность, а в некоторых случаях управлять режущей способностью абразивного инструмента. С ее помощью создается алмазоподобный режущий слой на круге, структурируется рельеф, может освобождаться от стружки шлифовальный круг, производиться его правка и эффективная лазерно-­абразивная обработка (рис. 1).

 

Рис. 1. Применение лазерных технологий воздействия в шлифовании

 

 

Можно прогнозировать, что использование лазерных технологий на первом этапе внедрения будет казаться необычным, однако стабильная воспроизводимость результатов с высокой точностью и надежностью, сокращение производственного времени за счет высокой скорости и возможности обработки большой площади за один проход, а также экологичность и безопасность процессов являются неоспоримыми преимуществами, сводящими к минимуму достаточно высокую стоимость лазерного оборудования и его обслуживания. Кроме того, лазерные технологии, являясь в настоящее время в большой степени исследовательскими, постоянно развиваются, становятся промышленными и более доступными по цене.

 

В данной статье будут рассмотрены вопросы создания и управления рельефом абразивного инструмента при его изготовлении.

 

 

ШЛИФОВАЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ, СОЗДАННЫЕ С ПОМОЩЬЮ DLC И ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ

 

 

Известно [1, 2], что покрытия DLC (Diamond-­Like Carbon) представляют собой алмазоподобный углерод, обладающий уникальными свой­ствами: высокой твердостью, химической стойкостью и низким коэффициентом трения. Алмазоподобные покрытия DLC можно получить различными методами, включая CVD, PVD и PCD. Кроме покрытий, содержащих алмаз, можно наносить слой PCBN — покрытие из кубического нитрида бора (CBN), который является близким по твердости к алмазу.

 

В технологиях нанесения перечисленных покрытий могут использоваться лазеры, так в процессе PVD для нагрева и испарения материалов, которые затем конденсируются на поверхности изделий. В процессе CVD лазер применяется для нагрева и ионизации газов, что способствует более эффективному протеканию химических реакций и образованию алмазоподобного углерода. В процессах PCD и PCBN лазер используется для нанесения алмазных зерен или порошка CBN на поверхность изделий.

 

Чтобы устранить случайную кристаллографическую ориентацию абразивных зерен с присущим им неоднородным распределением режущих кромок как по площади, так и по высоте выступания над рабочей поверхностью традиционного круга, в работах [3], [4] предлагается новая концепция создания надежного инструмента с упорядоченно ориентированными и геометрически одинаковыми абразивными микромассивами (микроматрицами) в монокристаллическом CVD-алмазе, изготовленными на основе метода импульсной лазерной абляции (Pulsed Laser Ablation — PLA).

 

На рис. 2 [3] показаны элементы из многоточечных инструментов с контролируемыми свой­ствами, которые были изготовлены из монокристаллического CVD-алмаза.

 

Рис. 2. СЭМ-микрофотографии микроматриц, полученных с помощью лазерной абляции из CVD-алмаза

 

Рис. 3. Оригинальное представление преимущественно ориентированных алмазных микроматриц для решения задач шлифования [4]

 

 

Прецизионные алмазные микромассивы, рассмотренные в исследовании [4], были разработаны специально для улучшения микрошлифования материала на основе титана — Ti6Al4V. В работе [3] проведена оптимизация процесса лазерной абляции с использованием импульсного лазера ND:YAG с модуляцией добротности для производства ориентированных алмазных микроматриц. Технология включает микрорежущие элементы, каждый из которых имеет одинаковый размер, форму и расстояние между ними (рис. 3). 

 

Эта концепция также позволяет наилучшим образом использовать анизотропные свой­ства монокристаллического алмаза и устраняет межзерновые различия в свой­ствах, возникающие в результате случайной кристаллографической ориентации обычного алмазного абразивного инструмента.

 

В работе [3] указывается возможность производства криволинейных алмазных микромассивов, которые выходят за пределы кристаллографических плоскостей исходного алмазного материала, где каждый кристаллит будет иметь постепенно изменяющуюся ориентацию, например, от плоскости (100) к соседней плоскости (111) или (110). Цифры в скобках, определяющие ориентацию, указывают на расположение атомов в кристалле по осям x, y, z. Это открывает потенциал для производства сверхточных формообразующих инструментов.

 

В исследовании [4] предложили лазерную абляцию CVD-алмаза не только для придания формы алмазу, но и для достижения шахматных микроструктур, что свидетельствует об обоснованности использования лазера для изготовления из монокристаллического алмаза высокопроизводительных шлифовальных кругов, диаметр которых может составлять несколько миллиметров.

 

В работе [5] для создания микроабразивных массивов с помощью импульсной лазерной абляции были выбраны только поликристаллические структуры PCD/PCBN. Толстые пленки PCD — 0,5 мм, непосредственно синтезированные на подложке WC (10×10×1 мм), и толстые пленки PCBN трех марок (0,7 мм), непосредственно синтезированные на подложке из WC (10×10×1 мм).

 

Для проведения процесса абляции применялась лазерная установка DMG LASERTEC 60 HSC Q-switch Nd:YAG с техническими характеристиками: длина волны 1064 нм; максимальная выходная мощность 100 Вт; максимальная частота импульсов 50 кГц; размер фокуса 0,40 мм. Оборудование было установлено на линейных направляющих, чтобы обеспечить движение по трем осям.

 

При проектировании параметров режущего рельефа и отдельного абразивного элемента (рис. 4) была выбрана геометрия режущей кромки с положительным передним углом 6° (допуск ±4°) и задним углом 30° (допуск ±4°).

 

Рис. 4. САПР режущей поверхности абразивного рельефа при создании режущего массива с заданными параметрами с помощью лазерной абляции

 

На рис. 4 приведены параметры геометрии, данные теоретического расчета площади контакта для глубины резания 1 и 5 мкм и номинальный диаметр для выбора зернистости отдельного абразивного элемента.
Значения параметров лазерной установки при проведении экспериментов: средняя мощность лазера 

Pm = 50–100 Вт, частота импульсов f = 30–50 кГц и скорость перемещения луча v = 100–900 мм/с на композиты образцов PCD (10×10×1,5 мм) и PCBN (10×10×1,7 мм).

 

Каждый созданный массив состоял из перекрывающихся режущих элементов (глубина 0,1 мм, длина 0,3 мм, ширина 0,25 мм) и имел плотность 96 абразивных элементов на мм² [5].

 

После расчета минимального номинального диаметра отдельного режущего элемента его сравнивали с размерами абразивов, классифицированных по стандартам Федерации европейских производителей абразивов (FEPA), что привело к выбору среднего номинального размера 500 (для обеспечения разумного сравнения с размерами микроабразивных кромок элемента). После того как были выбраны размер и тип зерна (D501 для образца алмаза и B501 для образца кубического нитрида бора), базовые образцы для гальванического покрытия были спроектированы с теми же размерами, что и массивы, генерируемые лазером (10×10×1,5 мм). В обоих случаях материалом подложки был карбид бора (толщина 1 мм), а типом связи являлось гальванопокрытие никеля.

 

После создания микроабразивных массивов была разработана процедура оценки характеристик износа каждого созданного массива. Для испытаний использовался 5‑осевой шлифовальный центр Makino A55 с максимальным числом оборотов шпинделя 19 000 об/мин., мощностью 30 кВт, силы резания регистрировались с частотой дискретизации 10 кГц. Схема испытательного стенда представлена на рис. 5. Испытания на износ/резание проводились с использованием СОЖ Houghton 3380, концентрацией 8–10%, подаваемой через форсунку под давлением 20 бар.

 

Рис. 5. Схема стенда для сравнительных испытаний

 

 

Испытание каждой матрицы состояло из заранее установленного количества проходов: 5000 для матриц PCD и гальванического алмаза и 1000 проходов для матриц PCBN и гальванического CBN. Каждый проход представлял собой комбинацию следующих движений вдоль двух осей: касание массива при вращении вала из диоксида кремния — SiO2, глубина врезания вала 5 мкм в массив в направлении Z и поступательное движение массива в направлении X.

 

Из анализа работ [4–6] можно сделать следующие выводы:
• Абразивные массивы PCD и PCBN, полученные в результате лазерной абляции, показали более высокую износостойкость по сравнению с наиболее часто используемыми абразивными гальваническими подушечками (D501, B501).
• При обработке абразивными массивами вся глубина резания удалялась передними режущими кромками, при этом с вала снималось больше материала, чем в случае традиционных брусков, что сокращало время контакта за один проход с 2 сек до 1,25 сек и провоцировало изнашивание только одной стороны массива.
• Однородность высоты кромок абразивного массива приводила к прогнозируемому изменению силы резания, в то время как случайная высота зерен, типичная для гальванического образца, не гарантировала постоянный контакт с валом и вызывала переменные пики силы резания.
• Упорядоченные массивы микрорежущих кромок, несмотря на то, что положительный передний угол режущего элемента приводит к более слабой режущей кромке и увеличивает склонность к поломке кромки, обеспечивают на 70% меньшее контактное давление по сравнению с отрицательным передним углом, типичным для зерен в гальванических образцах.

 

Таким образом, подтверждены лучшие характеристики износа спроектированных и изготовленных с помощью импульсной лазерной абляции массивов микрорежущих кромок, и они представляют собой шаг вперед в замене гальванических подушечек со стохастически распределенными абразивами для операций шлифования и полировки.

 

В статье [6] были исследованы процессы формирования волокон алмазоподобного углерода DLC с твердостью по Кнупу Hk: 8000–10 000, приближающейся к твердости алмаза, и изготовления круга из этих волокон, ориентированных перпендикулярно рабочей поверхности шлифовального круга путем ламинирования листов Al вместе с волокнами.

 

Процесс формирования алмазоподобных DLC-волокон, показанный на рис. 6, сводился к следующему: вначале пленка DLC наносилась на алюминиевую подложку 1050 размером 300 мм × 200 мм, при этом средняя толщина Al-подложки была 0,30 мм, а пленки для покрытия 
DLC — 7 мкм.

 

Рис. 6. Процесс формирования DLC-волокон

 

 

Твердость, измеренная наноиндентором на Al-подложке, составляла по Виккеру Hv 20–50, пленки DLC — Hv 1700–2000. После подготовки пленок из волокон DLC производилось их ламинирование с использованием фенол-­резинового связующего, далее прессование блока DLC при давлении 30 Мпа, его спекание при 120°C в течении 22–25 часов в небольшой печи и разрезание блока DLC на требуемые размеры. Таким образом формировались DLC шлифовальные сегменты (10–15) мм × (3–7) мм × (10–11) мм, которые впоследствии вставлялись в корпус чашечного шлифовального круга и заливались двухкомпонентной эпоксидной смолой, как показано на рис. 7. Большинство алмазоподобных DLC-волокон имели длину >500 мкм, ширину 10–80 мкм и толщину около 7 мкм.

 

Микроскопическая фотография       1 — эпоксидная смола;     Круг из DLC-волокна
DLC-пленки                                        2 — чашечный корпус круга; 

                                                          3 — сегменты DLC    
Рис. 7. Конструкция и фотография шлифовального круга из DLC-волокна

 

Испытания экспериментального круга производились на прецизионном плоско­фрезерном станке с ЧПУ — MG‑743 с двигателем главного шпинделя мощностью 0,75 кВт, вращающимся с числом оборотов 
до 3000 об/мин. Системы подач станка гарантировали глубину резания не менее 0,2 мкм и скорость возвратно-­поступательного движения рабочего стола в диапазоне от 19–169 мм/мин.

 

Шлифовались заготовки диаметром 75 мм из кремниевых пластин, оптических стекол, кварца, гранита и стали SKD11 для штампов (рис 8). Качество обработанной поверхности проверялось с помощью лазерного интерферометрического микроскопа LIM. В результате было установлено, что показатели поверхности, в частности, кремниевой пластины составляли: шероховатость Ra 2,5 нм, волнистость около 0,7 мкм [6].

 

а) Обрабатываемая деталь —                 б) Обрабатываемая деталь —
кремниевая пластина                                  сталь SKD11 для штампов
Рис. 8. Фотографии деталей после нанометрового шлифования кругом из DLC-волокна
 

 

 

ШЛИФОВАЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ, СОЗДАННЫЕ С ПОМОЩЬЮ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

Трудно переоценить значение структуры шлифовальных кругов для их производительности и эффективности в процессе шлифования. Структура включает в себя такие характеристики, как размер зерна, плотность зерен, форма зерна и распределение зерен в связке.
По общепринятой международной системе ранжирования, предложенной фирмой Norton еще в 1920 г., содержание абразива в круге может изменяться от 62% (нулевая структура) до минимально возможных 2% (структура № 30).
Д.т.н., проф. В. К. Старков [7] впервые проанализировал составы и свой­ства шлифовальных кругов, в том числе на экспериментальных образцах вплоть до структуры № 30. Установлено, что применяемые в настоящее время круги из сверхтвердых абразивов изготавливаются на оптимальном минимуме их возможного содержания в объеме инструмента в 12,5–25%, а шлифовальные круги из обычных абразивов почти достигли целесообразного минимума по их содержанию в 22–24% объема.

 

Надо также отметить, что при смешивании абразивной массы невозможно обеспечить однородность распределения в ней абразивных зерен. На рабочей поверхности инструмента они располагаются случайным образом, создавая режущий рельеф с неоднородным распределением режущих кромок по площади и по высоте выступания над нею. При взаимодействии такого рельефа с обрабатываемой поверхностью детали процесс удаления материала приобретает стохастический характер и, соответственно, вызывает проблемы с его управлением на обеспечение заданных требований.

 

Очевидно, что создание инструмента из сверхтвердых абразивов с повышенной структурностью, формирующей комфортные физические условия стружкообразования в сочетании с упорядоченным распределением режущих зерен на его рабочей поверхности, является перспективным и эффективным направлением совершенствования шлифовальных кругов.

 

В применяемых для производства шлифовальных кругов лазерных аддитивных технологиях существует целый арсенал технологических методов изготовления кругов.

 

В ряде применений суперабразивных кругов используется металлическая связка, имеющая более высокие показатели прочности и теплопроводности, чем другие типы связок. Высокая плотность и низкая пористость металлической связки приводят к сравнительно небольшому пространству для размещения и транспортировки смазки, СОЖ и стружки [8]. Свой­ства этой связки определяются используемыми производственными процессами, такими как пайка или горячее прессование. Обычно они образуют очень плотные слои. Одним из способов устранения этого недостатка является создание полостей в шлифующем слое при использовании технологии лазерного сплавления порошкового слоя (Laser Powder Bed Fusion — LPBF).

 

LPBF — это метод обработки широкого спектра металлических порошков. При использовании этого метода для производства высокопроизводительных шлифовальных кругов необходимо искать такие связующие материалы, которые бы образовывали химическую связь с зерном, и такой материал был найден это NiTi — нитинол, сплав никеля и титана, обладающий уникальными свой­ствами. Преимуществами нитинола являются высокая прочность, коррозионная стойкость, биосовместимость и термочувствительность. Кроме того, он имеет память формы, то есть может возвращаться к своей первоначальной форме после деформации. Но из-за своей высокой пластичности и склонности к наклепу нитинол является труднообрабатываемым материалом. По этой причине для обработки NiTi применяются лазерные методы.

 

Для исследований использовался волоконный лазер SPI Lasers с максимальной мощностью PL = 50 Вт в режиме непрерывного излучения и длиной волны 1070 нм. Размер фокуса составлял 19 мкм в диаметре, а лазерный луч направлся гальванометрическим сканером Fa. Scanlab. На рис. 9 показаны микрофотографии печатного сегмента D46 NiTi со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и параметры экспериментальной установки.

 

а) СЭМ печатного сегмента D46 NiTi            б) Экспериментальная установка для испытаний D46 NiTi
Рис. 9. Фото печатного абразивного сегмента и установки для испытаний
 

Для оценки общей пригодности LPBF в сочетании со связкой и алмазными зернами были изготовлены образцы шлифовального слоя на никель-­титановой связке. Абразивная способность алмазных композитов NiTi, полученных аддитивным способом, была проверена в ходе испытаний на царапание твердого сплава с целью определения их применимости в качестве шлифовальных инструментов. Алмазные зерна в порошковой смеси не являлись частью процесса плавления, они не мешали технологической операции, а испытания на царапание выявили перспективные абразивные свой­ства композитов. Сам шлифующий слой выдержал технологические силы, и вырова зерен не наблюдалось. Это указывает на то, что силы удержания зерна достаточно высоки для процесса шлифования и NiTi имеет высокий потенциал в качестве связующего материала для изготовления шлифовальных инструментов методом LPBF.

 

В современных алмазных шлифовальных кругах на металлической связке [9] распределение алмазных зерен носит случайный характер с сегрегацией и агрегированием. Это приводит к тому, что круги имеют плохую морфологию поверхности, низкую эффективность шлифования и короткий срок службы. В результате сегрегации могут образовываться области с более мелкими зернами или области с более крупными зернами, что может привести к неэффективной обработке поверхности. Агрегирование — это обратный процесс, когда абразивные зерна одного размера и свой­ств скапливаются вместе, образуя более крупные кластеры.

 

Одним из возможных последствий этих явлений является неравномерность обработки поверхности. Из-за различной концентрации зерен в разных зонах круга скорость удаления материала различна, что приводит к появлению неровностей и перепадов на поверхности. Кроме того, увеличение концентрации зерен может привести к увеличению температуры в зоне резания и вызвать перегрев материала и его повреждение.

 

В работе [9] предложен метод 3D-печати в качестве изготовления чашечных алмазных кругов с равномерно расположенными зернами. Схема устройства для 3D-печати показана на рис. 10.

 

Рис. 10. Схема инструмента для 3D-печати

 

 

В экспериментах использовались: алмаз зернистостью 300–500 мкм, металлический связующий порошок — сплав Ni75–Cr18–B2–Si5 собственного производства с температурой плавления 1000–1500°C и корпус инструмента из стали AISI1045 (Ст. 45). Шлифовальный круг представлял собой алмазный чашечный круг, торцевая поверхность которого напечатана на отшлифованной подложке и очищена ультразвуком в ацетоне. Оборудование: лазерный станок с ЧПУ TJ-HL-T5000 с поперечным потоком CO₂. Начальный режим лазера — TEM00 (поперечное электромагнитное излучение).

 

3D-печать включала сочетание лазерного спекания и плавления с технологией лазерного быстрого сканирования для получения целевого объекта. Процесс производства алмазного шлифовального круга с равномерным распределением зерен схематично показан на рис. 11.
Вначале смесь порошка сплава Ni-­Cr и алмазных зерен равномерно распыляли на корпус из стали ASAI 1045 с помощью подающих устройств. Затем на CO2-лазерном станке с ЧПУ расплавляли и спекали порошок Ni-­Cr с металлической связкой, чтобы продолжить добавление материала по расчетному маршруту (рис. 11а), а алмазные шлифовальные зерна можно было спекать на сплаве со связкой способом, который жестко контролировался компьютерной программой (рис. 11б). При этом потребляемая мощность составляла 300–500 Вт, скорость сканирования 25–35 мм/мин, размер луча 3×2 мм. Энергия лазера распределялась в прямоугольной области. Любые дополнительные зерна удалялись потоком воздуха, в результате чего получался шлифовальный круг с равномерно расположенными алмазными зернами. Таким образом, после послойного добавления материалов и охлаждения до твердого состояния был изготовлен многослойный шлифовальный круг с равномерно расположенными зернами (рис. 11в).
На рис. 12 показана интегральная морфология 3D-печатного алмазного шлифовального круга, которая описывает форму, размер и распределение зерен алмаза. Она включает в себя такие параметры, как общая площадь поверхности шлифовального круга, площадь поверхности каждого зерна алмаза, расстояние между зернами и т. д.

 

а)                                     б)                                             в)

а) 3D-принтер на основе связующего из никеля    б) Равномерное распыление алмазных зерен    

в) Алмазный шлифовальный круг с равномерно распределенными зернами

Рис. 11. Процесс 3D-печати алмазного шлифовального круга с равномерно распределенными зернами
 

Рис. 12. Интегральная морфология 3D-печатного алмазного шлифовального круга [9]

 

 

В результате проведенных исследований в работе [9] сформулированы следующие выводы:
• С помощью ПО для 3D-фотосъемки, компьютерного управления с использованием 3D-печати, лазерного формования со спеканием и плавлением и динамического точечного сканирования возможно изготовление алмазных шлифовальных кругов с равномерно распределенными зернами.
• Для изготовления шлифовальных кругов может быть использована 3D-печать благодаря ее способности контролировать распределение зерен в трех измерениях и в нескольких слоях, не жертвуя при этом простотой производственного процесса.
• На подготовленном алмазном шлифовальном круге на границе раздела алмазных зерен было обнаружено соединение CrC, которое может усилить степень сцепления между металлическим связующим и алмазом.
• Подтверждена область диффузионного переноса с хорошей металлургической связью между сплавом и подложкой.
• В испытаниях по шлифованию с высокой нагрузкой на алмазном шлифовальном круге с 3D-печатью не возникало явления выпадения зерен.

 

Шлифование кругами на металлической связке в большой степени актуально для обработки керамики из-за ее высокой твердости и хрупкости или никель-­хромового сплава — NI718 (российский аналог — ХН45МВТЮБР), который также трудно шлифуется из-за значительного упрочнения и чрезмерно высокой теплопроводности [10]. Для обработки этих материалов необходимы шлифовальные круги с высокими показателями прочности связки, износостойкости, силы удержания зерен абразива и длительным эксплуатационным циклом.
В публикации [10] в качестве пористых структур металлической связки шлифовального круга рассматривались ячеистые структуры: октаэдр, усеченный октаэдр и звездчатый октаэдр (рис. 13), изготовленные с помощью селективного лазерного плавления (Selective Laser Melting — SLM) со смешанными порошками алмаза/AlSi10Mg.

 

Пористость может достигать очень высокого уровня за счет изменения диаметра стоек (раскосов) — рис. 13. Однако прочность будет ослаблена, если стойка станет слишком тонкой. Таким образом, значение пористости определяется как проницаемостью, так и механическими свой­ствами.

 

Рис. 13. Три вида клеточных структур шлифовального круга: 
a, d) октаэдр; b, e) усеченный октаэдр; c, f) звёздчатый октаэдр

 

SLM широко используется для изготовления деталей из металлов или сплавов как процесс аддитивного производства. С применением процесса SLM также можно изготавливать многофазные композиционные материалы, используя металл в качестве связующей фазы.
Поскольку шлифовальный круг состоит из связки, абразива и пор, материал для создания инструмента с пористой структурой состоит из связки сплава AlSi10Mg и алмазного абразивного зерна. Концентрация алмазного абразивного зерна установлена на уровне 60%. Однородно перемешанные порошки хорошо подготавливаются и наносятся на объекты для формирования ячеистых структур с помощью оборудования SLM (AFS-M120, Beijing Longyuan AFS Corporation), схема которого представлена на рис. 14.

 

Рис. 14. Схема установки для изготовления шлифовальных кругов пористой
структуры на металлической связке с использованием SLM-процесса

 

В процессе SLM использовался лазер мощностью 300 Вт, скорость сканирования составляла 2,5 м/с, а толщина слоя — 30 мкм. Смешанные порошки и принцип изготовления изображены на рис. 15. Как показано на рис. 15а и б, смешанные порошки состоят из алмазных абразивных зерен с объемной долей 15% и порошков сплава AlSilOMg с объемной долей 85% [11]. Алмазное абразивное зерно имеет неправильную форму усеченного октаэдра с размером частиц от 62 до 75 мкм, а порошок сплава AlSilOMg имеет глобулярную форму с размером частиц от 15 до 53 мкм. Принцип SLM изображен на рис. 15в. 
Лазерный луч используется для формирования связующего материала для шлифовального круга. Порошок сплава AlSi10Mg расплавлялся как связующая фаза в процессе SLM, а затем застывал в качестве связки шлифовального круга, в то время как алмазное абразивное зерно не плавилось из-за чрезвычайно высокой температуры плавления. Образующийся материал можно рассматривать как металломатричный композит. Стратегия сканирования кистью использовалась в качестве шаблона лазерного сканирования в процессе SLM, показанного на рис. 15 г.

 

Рис. 15. Смешанные порошки и принцип процесса SLM: a) алмазное абразивное зерно; б) порошок из сплава AlSi10Mg; в) принцип SLM; г) схема лазерного сканирования.

 

 

При испытании на проницаемость определялся коэффициент проницаемости как величина, характеризующая способность материала пропускать через себя различные вещества (газы, жидкости) или звуки. При этом выбирались по три образца каждой клеточной структуры, и каждый замер повторяли три раза. На рис. 16 представлены результаты испытаний при одинаковой заданной пористости 53%: проницаемость октаэдрической структуры являлась лучшей, звездчатого октаэдра — средней, а усеченного октаэдра — худшей. Хорошая проницаемость означает хорошее охлаждение и смазку шлифовального круга, что жизненно важно для процесса шлифования.

 

Рис. 16. Сравнение проницаемости трех различных клеточных структур шлифовального круга

 

 

Авторы работ [10, 11] отмечают, что шлифовальные круги на металлической связке, изготовленные методом SLM, имеют следующие — кругами:
• Облегчают удаление стружки с поверхности шлифовального круга из-за большого пространства для ее размещения.
• Упрощают процесс правки из-за наличия пор.
• Снижают температуру шлифования из-за хорошей теплопроводности.
• Уменьшают усилие шлифования из-за относительно небольшой площади контакта круга с деталью.

 

Результаты исследований показывают, что октаэдрическая ячеистая структура обладает наибольшей прочностью и лучшей проницаемостью при одинаковой пористости. Итог: с помощью SLM можно изготовить высокопористый шлифовальный круг на металлической связке с отличной проницаемостью и достаточной прочностью.

 

В заключение целесообразно отметить ряд преимуществ технологических процессов изготовления шлифовального инструмента с использованием лазера:    
• Высокая точность: лазерные методы обладают прецизионностью и позволяют создавать абразивные инструменты с высокой степенью точности и сложности режущего рельефа. В этом случае инструменты точно соответствуют техническим требованиям и обеспечивают высокую производительность.
• Гибкость в проектировании: лазерная технология позволяет гибко изменять форму, размеры и текстуру абразивного инструмента. Это дает возможность изготавливать инструменты с оптимальными характеристиками для конкретных применений.
• Высокая производительность: лазерная модификация режущей поверхности может улучшить производительность инструмента, повысить срок его службы и эффективность.
• Минимальные деформации и повреждения: лазерные методы создания абразивных инструментов являются контролируемыми и хорошо управляемыми по сравнению с традиционными методами. Это позволяет минимизировать деформации и повреждения инструмента в процессе его изготовления, что может положительно сказаться на его долговечности и производительности.
• Экологичность: лазерные методы не используют вредные химические вещества и не производят большого количества отходов. Из всех переделов процесса шлифования этап традиционного производства шлифовальных кругов по показателю эквивалентной интенсивности выбросов СО₂ более чем в 30 раз превышает любой другой из составляющих переделов процесса шлифования [12].
• Автоматизация и повышение эффективности производства: лазерные методы изготовления могут быть легко автоматизированы, что позволяет увеличить скорость и эффективность процесса производства абразивных инструментов. Это также снижает вероятность ошибок и повышает стабильность качества продукции.

 

Можно предположить, что и в будущем развитие в области применения лазерных технологий будет направлено на совершенствование управления размерами, формой и пространственным распределением зерен в шлифовальном круге с тем, чтобы сделать этот процесс менее стохастически обусловленным.

 

Литература

1. Bewilogua K., Hofmann D. History of diamond-like carbon films — From first experiments to worldwide applications // Surface and Coatings Technology. 2014. Т. 242. С. 214–225.
2. Rajak D. K. et al. Diamond-like carbon (DLC) coatings: Classification, properties, and applications // Applied Sciences. — 2021.  Т. 11.  № . 10.  С. 44–45.
3. Butler-­Smith P. W., Axinte D. A., Daine M. Preferentially oriented diamond micro-­arrays: a laser patterning technique and preliminary evaluation of their cutting forces and wear characteristics // International Journal of Machine Tools and Manufacture.  2009.  Т. 49. № . 15. С. 1175–1184.
4. Butler-­Smith P. W., Axinte D. A., Daine M. Ordered diamond micro-­arrays for ultra-­precision grinding — an evaluation in Ti‑6Al‑4V // International Journal of Machine Tools and Manufacture. — 2011. Т. 51. № . 1. С. 54–66.
5. Pacella M. Pulsed laser ablation (PLA) of ultra-hard structures: generation of damage-­tolerant freeform surfaces for advanced machining applications: дис. — University of Nottingham, 2014.
6. Yamaguchi K., Wei Y., Horaguchi I. Development of diamond-like carbon fibre wheel // Precision engineering. 2004. Т. 28.  № . 4. С. 419–425.
7. Старков В. К. Высокопористый или высокоструктурный инструмент — выбор для высокопроизводительного бездефектного шлифования // Вестник машиностроения.  2023.  Т. 102.  № 12.  С. 1039–1046.
8. Denkena B. et al. Additive manufacturing of metal-­bonded grinding tools // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2020. Т. 107.  С. 2387–2395.
9. Yang Z. et al. A study on diamond grinding wheels with regular grain distribution using additive manufacturing (AM) technology // Materials & Design. 2016. Т. 104. С. 292–297.
10. Tian C. et al. Porous structure design and fabrication of metal-­bonded diamond grinding wheel based on selective laser melting (SLM) // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019.  Т. 100.  С. 1451–1462.
11. Tian C. et al. The effect of porosity on the mechanical property of metal-­bonded diamond grinding wheel fabricated by selective laser melting (SLM) // Materials Science and Engineering: A. 2019.  Т. 743.  С. 697–706.
12. Ермолаев В. К. Устойчивое шлифование // РИТМ машиностроения. 2023. № 4. С. 52–59.

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 1-2024