Поскольку в настоящее время основным видом изделий из сверхтвердых материалов все еще является лезвийный инструмент, качество обработки рассмотрим на примере его заточки.
Эффективность и надежность работы лезвийного инструмента из СТМ определяется шероховатостью его граней и режущих кромок, радиусом их округления, отсутствием эффектного поверхностного слоя, а также наличием сетки микротрещин на рабочих поверхностях.
Качество обработанного поверхностного слоя сверхтвердых материалов непосредственно зависит от того, какие механизмы разрушения припуска реализуются в тех или иных условиях шлифования. Следовательно, состояние рабочей поверхности круга является определяющим для качества обработанной поверхности СТМ [173].
Управляя параметрами рабочей поверхности круга с различной интенсивностью [196], можно влиять на качество поверхности всех обрабатываемых СТМ в пределах, определяемых структурой и свойствами поликристаллов. Снижению шероховатости способствует увеличение зернистости, скорости круга и наличие контакта связки с обрабатываемой поверхностью. Рост нормального давления, тока цепи управления и интенсивности ультразвуковой правки круга ухудшают шероховатость. Эти тенденции справедливы для всех марок обрабатываемых материалов, однако абсолютные значения шероховатости, безусловно, связаны со структурой СТМ — для однородных мелкозернистых они ниже. Сверхтвердые материалы на основе нитрида бора характеризуются меньшей шероховатостью по сравнению с алмазами.
Количественная оценка параметров субмикрорельефа и шероховатости обработанной поверхности подтверждает связь интенсификации шлифования с реализацией механизмов хрупкого разрушения СТМ под влиянием режущих зерен алмазного круга. Эта закономерность проявляет себя неизменно при варьировании такими условиями обработки, как нормальное давление, скорость круга, зернистость и т. д. Анализ динамики изменения пара-
метров РПК позволяет сделать вывод о практически полном соответствии характера разрушения алмазных зерен и обрабатываемой поверхности СТМ.
Управление процессом приспосабливаемости должно осуществляться как за счет режимов шлифования и характеристик кругов, так и за счет дозируемого удаления связки и ультразвукового формирования субмикрорельефа алмазных зерен в зоне шлифования и/или в автономной зоне управления.
Для реализации процесса управления уровнем приспосабливаемости в системе «круг-деталь» и осуществления возможности производительной и прецизионной обработки одним и тем же кругом разработаны способы ультразвукового шлифования с комбинированным адаптивным управлением режущим рельефом круга [196]. Разработанные способы позволяют изготавливать прецизионный инструмент из СТМ с шероховатостью обработанной поверхности Ra < 0.15 мкм и относительной опорной площадью обработанной поверхности СТМ (tps при Р = 10 %) более 60 %. Стойкостные испытания лезвийного инструмента из различных марок СТМ, заточенных и доведенных предложенными способами, показали их высокую эффективность и надежность. При этом установлено, что определяющим параметром оценки качества обработанной поверхности являются не традиционно применяемые параметры шероховатости Rа и Rz, а относительная опорная площадь обработанной поверхности tps, измеряемая методом лазерного сканирования.
Оптимизация процесса шлифования по одному из параметров — шероховатости обработанной поверхности, шероховатости и радиуса округления режущей кромки инструментов из СТМ достигается в предложенном способе термоактивируемой доводки.
Высокие температуры в зоне шлифования способствуют интенсификации процесса термоактивируемой доводки и создают в зоне шлифования термосиловые напряжения, соответствующие экстремальным условиям эксплуатации лезвийного инструмента из СТМ.
Разработанная экспериментальная экспертная система позволяет оптимизировать процесс алмазного шлифования различных СТМ (АСПК, ДАП, СВС, К10Д) по производительности, шероховатости граней и режущей кромки, радиусу ее округления у затачиваемых прецизионных лезвийных инструментов (см. рис. 8.8).
Кромка влияет как на срок службы инструмента, так и на качество обработанной поверхности и точность размеров деталей, обрабатываемых ими. Интенсивность износа инструмента из СТМ во многом определяется наличием концентраторов напряжений на рабочих элементах и температурой в зоне резания, что, в свою очередь, зависит от шероховатости рабочих поверхностей инструмента. Было изучено влияние режимов обработки, характеристики кругов, вида обрабатываемого поликристалла на микрогеометрию режущей кромки затачиваемого инструмента. Исследование микрогеометрии элементов режущей кромки инструмента осуществлялось методом лазерного сканирования.
Было установлено, что при алмазной обработке режущей части инструментов из СТМ шероховатость кромки и ее образующих поверхностей может различаться в 50-70 раз и улучшение микрогеометрии режущей кромки не может быть достигнуто только за счет уменьшения шероховатостей передней и задней поверхностей инструмента. Учитывая, что при шлифовании разрушение синтетического сверхтвердого поликристалла по сравнению с твердым сплавом и минераллокерамикой носит более хрупкий характер (доля пластического деформирования очень мала), можно предположить, что формирование режущей кромки в исследуемом случае происходит за счет сколов. Кроме того, на формирование кромки накладывает свой отпечаток хрупкий характер разрушения поликристалла при скольжении по его поверхности алмазных зерен круга, а также разрушение отрывом в результате волновых процессов.
Существенное влияние на размер сколов оказывает теплонапряженность в зоне резания и связанные с ней фазовые превращения в прикромоч — ных участках. Немаловажную роль в образовании сколов режущей кромки может играть наличие пор и трещин в поликристаллах, особенно в поликристаллах синтетического балласа. Это ослабляет прочность режущей кромки инструмента.
Острота кромки при этом зависит в основном от абсолютной величины скола, а шероховатость от взаимного наложения отдельных микросколов, образованных каждым алмазным зерном, находящимся в контакте с кромкой. Поэтому изменение одного и того же параметра процесса обработки может по-разному влиять на закономерность изменения шероховатости и радиуса округления режущей кромки.
Важную роль здесь могут играть размеры кристаллитов СТМ, а также степень их взаимного прорастания. Очевидно, что чем выше степень взаимного прорастания кристаллитов, возникающая в процессе синтеза, тем меньше вероятность вырывания отдельных целых кристаллитов из основного объема поликристаллов, т. е. возможности для проявления интеркристаллитного разрушения меньше. Видимо, основным будет механизм транскристаллитного разрушения, следствием чего режущая кромка может быть более острой и менее шероховатой.
Наименьшей шероховатостью кромки обладают резцы, заточенные кругами на связке М6-14 (МЖ). Это объясняется высоким содержанием в ней железа и интенсификацией диффузионных и окислительных процессов в зоне шлифования, способствующих термоактивируемой доводке. В исследуемом диапазоне параметров обработки шероховатость кромки изменяется в пределах 10 … 15 мкм.
Увеличение скорости круга уменьшает силу резания как суммарную, так и приходящуюся на отдельное зерно. В результате этого уменьшаются сколы режущей кромки.
Таким образом, особенностью формирования микрогеометрии режущей кромки лезвийного инструмента из СТМ при обработке предложенными способами является стабильно высокая режущая способность алмазного круга, а также электро-физико-химические процессы, протекающие в зоне управления. Процесс заточки лезвийного инструмента из СТМ следует осуществлять в два этапа, но одним и тем же алмазным кругом. На первом этапе осуществляем предварительную (производительную) обработку с включенной системой управления процессом приспосабливаемости, а затем, выключив систему управления, производим процесс термоактивируемой доводки, обеспечивающий требуемое качество граней и режущей кромки инструмента и его надежность в процессе эксплуатации даже в экстремальных условиях. Такой подход расширяет возможности использования лезвийного инструмента их СТМ, в том числе и в автоматизированном производстве.