Технология производства алмазных шлифовальных кругов

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Производство алмазного материала

Технология производства алмазных шлифовальных кругов

Список использованной литературы

Введение

Производство абразивных и сверхтвердых материалов и инструментов из них отличается широким разнообразием используемых технологических процессов: исходными сырьевыми материалами, применяемым технологическим оборудованием, технологическими параметрами процесса.

Технологический процесс синтеза алмазов и сверхтвердых материалов (СТМ) осуществляется на специальных установках в камерах высокого давления, позволяющих сочетать высокие температуры с высоким давлением.

Технологические процессы производства шлифовальных материалов (шлифзерна, шлифпорошков и микропорошков) основываются на процессах дробления, измельчения, обогащения и классификации материалов и по своему аппаратурному оформлению аналогичны горно-обогатительным процессам. Исходя из применяемых методов классификации материалов (ситового метода и гидроклассификации), их разделяют на процессы производства шлифзерна и шлифпорошков и процессы производства микропорошков.

Технологические процессы производства абразивного инструмента, независимо от вида связки, включают технологические операции: подготовки формовочных смесей (масс), формообразования заготовок инструмента, термической обработки для придания инструменту заданных свойств и механической обработки для придания инструменту окончательных размеров.

1. Производство алмазного материала

Исходным материалом для производства шлифовальных материалов синтетических алмазов служит продукт синтеза, из которого удален графит и катализатор, крупностью сростков до 3 мм. Процесс получения шлифовальных материалов различных марок, Существенно отличающихся по физико-механическим свойствам, требует введения в процесс различных специфических операций

Исходный материал подвергают дроблению в шаровом барабане, обеспечивая максимальный выход крупной фракции. Дробленый материал поступает на предварительную ситовую классификацию, где его разделяют на три класса: плюс 160 мкм, направляемый на додрабливание; минус 160 плюс 40 мкм, поступающий на дальнейшую переработку, и минус 40 мкм, служающий исходным материалом для производства микрошлифпорошков. Рассев производится на сотрясательной машине.

Фракцию минус 160 плюс 40 мкм подвергают ультразвуковой обработке в ванне, подключенной к ультразвуковому генератору УЗГ-10У. В результате обработки слабые и дефектные зерна разрушаются и фракция минус 40 мкм удаляется из процессов методом седиментации в дистиллированной воде. Фракция минус 40 мкм подается на обезвоживание в суперцентрифугп и сушку. Высушенный материал объединяется с аналогичным по крупности продуктом, полученным ранее. Алмазный порошок размерами минус 160 плюс 40 мкм сушится при температуре 150--200 °С и поступает на первичную ситовую классификацию для получения требуемых зернистостей. Рассев производится на соответствующих ситах при тех же режимах работы сотрясательной машины, что и в предыдущей операции классификации. При повышенном содержании растворимых примесей, определяемых по контрольному образцу -- зернистости 50/40, порошки подвергаются химической обработке в смеси соляной и азотной кислот (царской водке). Обогащенный материал высушивают и проверяют прочность порошков каждой зернистости. Порошки, отвечающи требованиям прочности, подвергаются окончательной ситовой классификации на тех же аппаратах в течение 10 мин. Если прочность какого-либо порошка не удовлетворяет требованиям стандарта, его подвергают дополнительному дроблению с последующей отмывкой фракции минус 40 мкм, сушкой и ситовой классификацией сухого материала по данной зернистости.

Процесс получения шлифовальных материалов СТМ различных марок не имеет принципиальных отличий. Некоторые изменения связаны лишь с конструкцией применяемого оборудования обеспечением повышенной прочности порошков. Дробление исходного материала в этом случае осуществляется в роторной дробилке. Для повышения однородности шлифовальных порошков различных марок по прочности и степени изометричности (форме) в технологический процесс вводятся дополнительно операции овализации и разделения материала по форме частиц. Овализацию порошков проводят в шаровой барабанной мельнице. При этом слабые и дефектные зерна измельчаются, а основная масса зерна приобретает округлую форму. Для получения частиц разной степени изометричности применяют вибродинамические классификаторы. Игольчатые и пластинчатые зерна, количество которых не превышает в среднем 3--5 %, подвергают дроблению или используют для изготовления специальных видов инструмента. Частицы округлой и угловатой формы классифицируют на ситах с соответствующими размерами ячеек и подвергают контролю зернового состава, прочности и влажности. Готовую продукцию расфасовывают, упаковывают, маркируют.

При производстве микропорошков исходным материалом является полученный в производстве шлифпорошок -- продукт крупностью минус 40 мкм.

Измельчение исходного материала производится в электромагнитных мельницах с центральным ротором, обеспечивающим высокую производительность процесса и получение равномерного продукта по крупности с минимальным переизмельчением. Химическое обогащение производится в 72 %-ном растворе хлорной кислоты (НСЮ3). Операция проводится при кипячении периодически перемешиваемого продукта до завершения реакции. Процесс обогащения завершается промывкой от кислоты и продуктов реакции, в процессе которой удаляются графит и катализатор.

Первая операция гидравлической классификации предусматривает выделение в осадок порошка зернистостью 60/40 методом седиментации. Суспензия с частицами крупностью минус 40 мкм классифицируется в стаканчиковых центрифугах различной конструкции также методом седиментации. При этом последовательно выделяются в слив фракции минус 3 мкм, минус 5 плюс 3 мкм и т. д. Классификация проводится в дистиллированной воде с добавкой пептизатора (0,1 %-ный раствор желатина или столярного клея и 0,05 %-ный раствор соды). Режим классификации рассчитывается и уточняется в процессе работы введением экспериментально полученных поправочных коэффициентов. В результате классификации получают порошки зернистостью 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7, 7/5 и 5/3, содержащие еще значительное количество зерен смежных размеров, недопустимых для соответствующих зернистостей. Окончательная классификация микропорошков производится в тех же аппаратах. Фракция минус 3 мкм выделяется из процесса в виде весьма разбавленной суспензии и подается на обезвоживание в суперцентрифуги, частота вращения ротора которых достигает 25 000 об/мин. Осадок из ротора выгружается вручную, добавляется дистиллированная вода до требуемой концентрации твердого. Суспензию загружают в стаканы центрифуги и методом седиментации получают микрошлифпорошки зернистостью 3/2, 2/1 и 1/0. Готовые продукты отмывают от желатина горячей дистиллированной водой на стакан-чиковых центрифугах и сушат.

Фугат суперцентрифуг, содержащий частицы мельче 0,7 мкм, поступает в отделение получений субмикропорошков. Классификация последних производится методом центрифугирования в суперцентрифугах и высокооборотных стаканчиковых центрифугах. Ми-крошлифпорошки[зернистостью 0,7/0, 0,5/0, 0,3/0 и 0,1/0 подвергают контролю зернового состава с помощью электронного микроскопа при 1000-кратном увеличении, химического состава и эксплуатационных характеристик (съем материала в единицу времени и шероховатость обработанной поверхности).

Для получения микропорошков марки АСН применяют многостадийное измельчение исходного материала с выделением после каждой стадии фракции минус 14 мкм, которая затем собирается и подвергается измельчению в одну стадию. При такой схеме производства зерна приобретают округлую форму при минимальном содержании дефектных зерен. Прочностные показатели микрошлифпорошков существенно повышаются.

2. Технология производства алмазных шлифовальных кругов

Изготовление инструмента на органических связках

При производстве инструментов из СТМ на органических связках в основном применяют способ горячего прессования.

В качестве связующего для изготовления абразивных инструментов из СТМ на органических связках в основном применяют фенольное порошкообразное связующее марок СФП-012А (СФП-015А) ОСТ 6-05-441--78.

При подготовке формовочной массы для рабочего слоя вначале получают связку смешиванием в смесителе связующего и наполнителей в соответствии с рецептурой связки, затем со связкой смешивают порошки СТМ в соответствии с рецептурой. Шихту смешивают в барабанных смесителях в течение 3 ч и более, а при малом количестве шихты -- вручную. Шихту с микропорошками СТМ несколько раз протирают через сито с размерами ячеек 160--200 мкм для уничтожения комков из слипшихся частиц СТМ.

Свойства формовочных масс характеризуются насыпной массой, коэффициентом уплотнения и усадкой.

Коэффициент уплотнения определяет изменение объема формовочной массы при формовании и представляет собой отношение ее объема в неотформованном виде к ее объему в отформованном виде.

Усадка (%) -- отношение разности диамерта образца-диска (или длины бруска) и диаметра (длины) пресс-формы в ее рабочей части при 20 °С к диаметру рабочей части пресс-формы при 20°С

Состав связки определяет основные технологические параметры изготовления инструмента -- температурный режим, скорость и время термической обработки.

Для значительной части кругов на органических связках используют металлические корпуса из алюминиевых сплавов. Заготовки для корпусов получают жидкой штамповкой, литьем под высоким и низким давлением, а также механической обработкой сортового проката при небольшом объеме выпуска инструмента. Для получения заготовок корпусов больших размеров диаметром 300--600 м эффективен способ центробежного литья.

Окончательная механическая обработка корпусов осуществляется на металлорежущих токарных, универсальных станках и станках с ЧПУ. Поверхность металлического корпуса, на котором закрепляют рабочий слой инструмента, обрабатывают на притирочном станке. После промывки, обезжиривания, нанесения клеевого слоя корпуса устанавливают в термошкаф для проведения термической обработки, в результате которой клеевая пленка затвердевает. При использовании клея В К 32--200 термическую обработку осуществляют в две стадии: 1) при (60 ±5) °С, 2) при (190 ± 5) °С с выдержкой соответственно с течение 90 и 120 мин.

После сборки пресс-формы, засыпки навески формовочной массы в ее рабочую камеру, разравнивания и установки пуансона производят холодное прессование под давлением около 30--50 МПа. Вначале ползун опускают быстро, а перед смыканием верхней плиты с пресс-формой -- медленно. Снижение скорости необходимо для предотвращения выброса материала из пресс-формы, а также уменьшения износа пресс-форм. Скорость ползуна при вспомогательном и возвратном ходах 36--200 мм/с, при рабочем ходе 1,5--3 мм/с.

Горячее прессование изделий осуществляют на гидравлических прессах, оборудованных нагревательными плитами. Параметры горячего прессования для связки Б1: температура (180 + 5) °С, давление 30--50 МПа, выдержка 7 мин на 1 мм толщины слоя. Горячее прессование выполняют в две стадии: 1) с усилием, равным 0,4--0,5 требуемого усилия прессования, до разогрева пресс-формы до 100-- 110 °С; 2) с полным расчетным усилием. Первая стадия горячего прессования необходима для удаления летучих веществ с целью исключения образования пор, вздутий, пузырей. Она продолжается до момента перехода связующего в вязкотекучее состояние. Точность геометрических размеров изделий обеспечивается пресс-формой и прессованием до «упора».

Повышение производительности гидропрессов горячего прессования может быть достигнуто путем разделения горячего прессования на две операции:- 1) горячее прессование без изотермической выдержки или с выдержкой до 3 мин, 2) термическую обработку изделий в термошкафах после их извлечения из пресс-форм; термическая обработка осуществляется с повышением температуры до 170 °С в течение 12--14 ч, изотермической выдержкой при 170 °С в течение 30--40 мин и медленным охлаждением вместе с термошкафом.

После горячего прессования прессованное кольцо соединяют с корпусом путем склеивания клеем ВК 32--200 с помощью специального приспособления. Подготовка корпуса аналогична ранее описанной. Термическую обработку кругов в приспособлениях для склеивания осуществляют при 70--170 °С в течение 14 ч. Охлаждают круги, не вынимая их из термошкафа.

Для придания инструменту окончательных геометрических размеров производят его механическую обработку. На токарном станке растачивают отверстие и подрезают торцы корпуса; базирование' -- по поверхности рабочего слоя инструмента. Затем производят обработку рабочего слоя шлифованием абразивным кругом из зеленого карбида кремния на заточных станках ЗВ642; базирование -- на оправках по отверстию корпуса и одному из базовых торцов круга. Далее на токарном станке снимают технологические припуски корпуса. Маркировку производят на копировально-фрезерном станке по копиру или выдавливанием на корпусе круга маркировочных знаков. Контроль качества (геометрические размеры, радиальное и торцовое биение, прочность, неуравновешенность, работоспособность, внешний вид) производят в соответствии с требованиями стандартов.

Изготовление инструмента на эластичных связках. На эластичных связках (PI, P9), представляющих собой разновидности вулканитовой связки, изготовляют гибкие инструменты в виде дисков и лент, а также хонинговальные бруски. Производство включает следующие операции: приготовление связки, смешивание алмазов со связкой, прокатку массы, вырезку заготовок, вулканизацию под давлением, отрезание заусенцев, маркировку, контроль качества и упаковку. Для приготовления эластичной связки используют каучук, смешанный с поливинилхлоридной смолой, фенольным связующим, наполнителем и вулканизирующим компонентом -- серой. Смешивают компоненты с каучуком вальцеванием на водоохлаждае-мых валках: вначале пропускают каучук, смешанный со смолой, затем загружают серу, окись цинка и магния, мягчитель (например, дибутилфталат), смазку (стеарин) и ускорители вулканизации.

В приготовленную смесь-связку вводят вальцеванием в соответствии с рецептурой щлифпорошки алмазов, предварительно обработанные 20 %-ным спиртовым раствором фенольного связующего. Полученную массу прокатывают на каландровых вальцах до получения ленты заданной толщины, затем из нее вырезают заготовки по форме инструмента. Вулканизацию, в процессе которой происходит формирование окончательных физико-механических свойств инструмента, совмещают с соединением алмазного слоя с основой через промежуточный слой из эластичной резины. Вулканизацию осуществляют при 170--175 °С с выдержкой в течение 20--25 мин в пресс-формах

Изготовление инструментов методами порошковой металлургии.

Наиболее распространенный способ производства инструмента из СТМ на металлической связке -- спекание изделий в пресс-формах с последующим горячим прессованием (уплотнением). Схема технологического процесса производства инструмента этим методом приведена на рис. 6.2. При изготовлении ряда инструментов (в основном АЧК, АПВ, АПВД) добавляют еще изготовление и омеднение промежуточного стального кольца и закрепление его с нанесенным алмазоносным слоем на корпус.

Недостатком металлических связок является высокая схватываемость их с обрабатываемыми металлами и сплавами, которая при недостаточном охлаждении приводит к снижению работоспособности инструмента. Для предотвращения этого в состав связок вводят твердые неметаллические наполнители: абразивные порошки, антифрикционные добавки, твердые смазки. Твердые неметаллические наполнители--абразивные порошки--вводят в связки для повышения твердости, уменьшения доли металлической фазы и соответственно площади контакта металлической основы связки с поверхностью обрабатываемого металла и, как следствие, -- уменьшения схватываемое связки с обрабатываемым металлом.

Твердые смазки типа графита или дисульфида молибдена добавляют для повышения антифрикционных свойств связки, уменьшения площади контакта и снижения схватываемости связки с обрабатываемым материалом.

При подготовке формовочной массы вначале из компонентов приготовляют шихту связки, а затем смешивают ее с алмазом. Подготовка компонентов включает просеивание через сита, а в некоторых случаях и дробление. Так, компоненты связок, не выпускаемые в виде готовых порошков, дробят и просеивают через сита с размером ячеек 40--100 мкм. Компоненты, поставляемые в виде готовых стандартных порошков, просеивают через сита с тем же размером ячеек. Мелкие фракции металлических порошков (40 мкм и менее) используют для приготовления формовочной массы из микропорошков, более крупные фракции (80 мкм и крупнее) -- для формовочной массы из шлифпорошков.

Смешивают порошкообразные компоненты связок в смесителях НИА-С14 и ВА-100. Режим смешивания в смесителе НИА-С14: \ коэффициент заполнения емкости 0,3; частота вращения 30-- 40 об/мин; время смешивания 2 ч. Режим смешивания в вихревом аппарате ВА-100: коэффициент заполнения аппарата 0,5; время смешивания 90 с. Связки на основе алюминиевых сплавов получают сплавлением соответствующих компонентов с последующим измельчением литого сплава. Просеянный порошок сплава представляет , собой готовую шихту связки. В ряде случаев некоторые компоненты вводят в связку через промежуточный сплав -- лигатуру.

Равномерность распределения компонентов проверяют химическим анализом проб, отобранных из разных мест смесителя или тары. Для определения твердости связки отбирают пробы связки и изготовляют контрольные образцы в соответствии с технологическими параметрами для данной связки. Твердость образцов определяют на твердомере ТК-2 по шкале В при нагрузке 980,6 Н шариком диаметром 1,588 мм. После проверки годную шихту связки упаковывают в герметичную тару, на которую наносят маркировку.

Режимы смешивания формовочной массы в зависимости от типа применяемых смесителей в основном такие же, как при смешивании связки, время смешивания несколько сокращено. При приготовлении небольшой партии формовочной массы (до 0,4--0,5 кг) последнюю смешивают вручную в течение 3--15 мин.

После проверки качества смешивания партию формовочной массы расфасовывают на навески на аналитических или технических весах

Брикетирование, спекание и горячую допрессовку (уплотнение) производят в пресс-формах,. Спекание и горячая допрессовка могут осуществляться в той же пресс-форме, что и брикетирование, без перекладывания брикета из одной пресс-формы в другую. По этой схеме изготовляют мелкими партиями фасонные, а также специальные инструменты. При изготовлении инструмента простых форм (АПП, АЧК, АПВ и др.) производят брикетирование в одной пресс-форме, а спекание и горячую допрессовку в другой. Это позволяет упростить конструкцию пресс-форм для спекания, снизить металлоемкость и трудоемкость их изготовления и повысить их стойкость.

При брикетировании рабочего слоя выполняют следующие операции: подготовку и сборку пресс-формы, укладку корпуса или промежуточного кольца, засыпку и разравнивание навесок формовочных масс промежуточных и рабочих слоев, прессование, распрессовку и извлечение брикета. Подготовка и сборка пресс-форм те же, что и инструмента на органических связках. В полость собранной пресс-формы засыпают навески формовочных масс и тщательно их разравнивают. От качества разравнивания зависит равномерность плотности брикета. Засыпку навески формовочной массы и брикетирование рабочего слоя инструмента простой формы (АЧК, АПВ, АПП, AT и др.) производят в один прием. При изготовлении некоторых инструментов, например кругов А2П, навеску делят на две части, засыпают и прессуют в два приема. Прессование производят «до упора».

При изготовлении инструментов с большой площадью алмазоносного слоя, например плоских притиров, «планшайб», целесообразно применять способ прокатки формовочной массы. При прокатке из формовочной массы, засыпанной в бункер, в зазоре между вращающимися валками формуется лента, из которой вырезают заготовки для последующего спекания. Прокатка обеспечивает получение более высокой степени однородности плотности и твердости алмазоносного слоя по всей площади изделия, исключает необходимость применения пресс-форм для брикетирования.

Нагрев при спекании производят в пресс-формах, аналогичных пресс-формам для брикетирования. При подготовке к спеканию детали пресс-форм обезжиривают и покрывают тонким слоем коллоидно-графитового препарата, предотвращающего припекание к ним алмазоносного слоя. Брикет и корпус инструмента или переходное кольцо укладывают в полость пресс-формы, которую после сборки помещают в печь и нагревают. Температура спекания не превышает 0,7--0,8 температуры плавления металла -- основного компонента -- и составляет, как правило, 500--830 °С. В промышленном производстве алмазного инструмента на металлической связке в основном используют камерные и туннельные электрические печи, в том числе с защитной атмосферой. Вакуумные печи применяют в тех случаях, когда спекание происходит без уплотнения, на адгезионно-активных связках, обеспечивающих достаточную прочность закрепления алмазов в связке без уплотнения. После изотермической выдержки пресс-формы извлекают из печи и устанавливают на гидравлический пресс для горячей допрессовки (уплотнения). В результате горячей допрессовки получается беспористый алмазоносный слой. Прочность образцов после горячей допрессовки существенно возрастает по сравнению с прочностью после свободного спекания. Так, для образцов на связке Ml прочность на изгиб повышается с 200 до 300 МПа. Горячую допрессовку, как правило, производят «до упора», усилием, примерно в 1,3 раза превышающим расчетное. Формообразующие детали пресс-форм для горячей допрессовки изготовляют из жаропрочных сплавов. Заготовку инструмента после горячей допрессовки охлаждают в пресс-формах под давлением до температуры 200--300 °С для предотвращения коробления из-за внутренних напряжений, возникающих при неравномерном остывании. После извлечения изделия из пресс-формы для горячей допрессовки контролируют его качество, прочность соединения с корпусом или промежуточным кольцом, наличие трещин, сколов и раковин.

Спекание под давлением отличается от обычного спекания тем, что к изделиям, предварительно спрессованным обычным прессованием, прикладывается небольшое давление 0,8--5 МПа, как правило, одновременно к нескольким изделиям, уложенным друг на друга в стопку. Этот метод применяют для предотвращения деформирования при спекании плоских изделий и припекания алмазно-металлокерамических композиций к металлическим корпусам, например, при изготовлении алмазных планшайб, алмазных отрезных кругов.

Горячее прессование заключается в одновременном прессованиии спекании. Его можно применять в тех случаях, когда изготовление плотных изделий другими методами затруднено или невозможно.

Принцип способа изготовления инструмента методом металлизационного напыления состоит в том, что на вращающийся корпус инструмента с предварительно нанесенными на него зернами СТМ через диафрагму подается поток расплавленных частиц металла, благодаря чему происходит прочное закрепление частиц на корпусе и образуется рабочий слой. Металл распыляют в металлизаторе струей сжатого воздуха.

При изготовлении инструмента методом плазменного напыления в зоне электрической дуги газ (аргон, азот или их смеси) ионизируется, образуя плазменную дугу. Температура струи плазмы достигает 5000--10 000 °С. Шихта, содержащая алмазный порошок и связку, подается в плазменную струю из дозатора и напыляется на корпус инструмента.

Способ изготовления инструмента методом металлизационного напыления не имеет этих недостатков. Его применяют при производстве инструментов крупных зернистостей --от 1000/800 и выше.

Преимуществом последних двух методов напыления является возможность использования в качестве связок любых известных металлов и материалов. алмазный шлифовальный круг синтез

Для механической обработки алмазоносного слоя на металлической связке целесообразно применять более эффективные способы, например, электроэрозионный. В качестве правящего круга используют токопроводящий абразивный круг на металлической связке, например, ПП 125x10x32 из зеленого карбида кремния, который служит катодом. Алмазный круг, подвергаемый правке, является анодом. Искровые разряды, возникающие между правящим и алмазным кругами, вызывают поверхностное разрушение (эрозию) алмазоносного слоя. При электроэрозионном методе правки рабочая поверхность круга получается более шероховатой, значительно обнажаются и выступают алмазные зерна. Режимы электроэрозионной правки профиля резьбошлифовального круга на металлической связке Ml: при предварительной правке -- выходное напряжение трансформатора 18--24 В, максимальная сила тока 40--50 А, охлаждение -- с помощью масла индустриального 20, окружная скорость подвергаемого правке круга 1,6 м/с, окружная скорость правящего металлоабразивного круга 17--20 м/с; при окончательной правке профиля, проводимой без охлаждения, -- выходное напряжение трансформатора 8--12 В, максимальная сила тока 5--10 А. Остальные операции механической обработки -- маркировка, контроль, упаковка -- аналогичны операциям при производстве инструмента на органических связках.

Список использованное литературы

Ковальчук Ю.М. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. М.: Машиностроение, 1984 г.

Размещено на Allbest.ru