Шлифование алмазным инструментом

Шлифование закрепленными абразивными зернами. Абразивное зерно, закрепленное в связке инструмента, режет стекло. Шлифование стекла закрепленными абразивными зернами очень похоже на шлифование металлов на металлорежущих станках.

Действие единичного закрепленного зерна на стекло можно уподобить ударам зубила по чугуну: происходит скол частиц хрупкого материала под действием тангенциальных сил, направленных под малым углом к поверхности.

Стекло разрушается как весьма хрупкий материал, растрескиваясь, откалываясь в виде мелких частиц неправильной формы. Кинематика процесса резания построена так, что закрепленные зерна оставляют на поверхности стекла взаимно пересекающиеся путаные штрихи. Каждый штрих – это царапина с рваными краями. Внедрение зерен в толщу поверхностного слоя вызывает появление конических трещин, уходящих в глубь стекла.

Главное движение инструмента - вращательное. Стекло или инструмент имеют также осциллирующее перемещение, которое путает направление штрихов – царапин. Вращательное движение с относительной скоростью в сочетании с хрупкостью стёкла приводит к получению рельефного слоя, идентичного полученному после обработки пескоструйным аппаратом, т. е. под ударным воздействием незакрепленных зерен. Образуется нарушенный слой толщиной n, состоящий из поверхностных неровностей слоя некоторого рельефа k и лежащего под ним трещиноватого слоя m (рис. 7.1). Структура рельефного слоя состоит из впадин и выступов, имеющих при вершине угол ~ 150°. Из рельефного слоя удалена приблизительно половина объема стекла, а остальная часть осталась в виде выступов.

Толщина слоя стекла, снимаемого за один проход инструмента, определяется геометрически замкнутой размерной цепью, имеющей звено, а между установочными базами инструмента и стекла, диаметром D инструмента, высотой ℓ заготовки, а также размером h частицы, выступающей из связки абразивных зёрен.

Между поверхностями стекла и материалом связки круга, из которого выступают абразивные зерна, обязательно должен быть зазор, который обеспечивает хорошие условия резания: обильную подачу СОЖ и отсутствие вредного трения связки инструмента по стеклу, приводящие к выделению большого количества теплоты.

Таким образом, часть зерна, взаимодействующего со стеклом, составляет менее 1/3 его наибольшего размера.

Объем удаляемого припуска зависит от хрупкости, твердости, прочности абразивных зерен и материала связки и пропорционален интенсивности режима обработки. На зерно действует сила резания R, создаваемая относительным движением инструмента и стекла. Сила R, приложенная к стеклу, разрушает его. Она направлена под малым углом к обpaбатываемой поверхности, создает опережающую трещину и некоторое вздутие стекла вокруг зерна (рис. 7.1).

Составляющая F _k силы R направлена под углом 180° к вектору относительной скорости , лежащему в плоскости, касательной к обрабатываемой поверхности. Силе F _k пропорциональна работа, идущая на удаление стекла и выделение теплоты.

Под действием силы F _n абразивное зерно проникает в толщу и разрушает стекло, вызывая появление конических трещин и вдавливание зерна в связку инструмента. Трещиноватый слой залегает на глубину в 2 – 4 раза большую высоты рельефного слоя.

При резании на стекло действуют одновременно несколько зерен, находящихся в области соприкосновения инструмента со стеклом.

Закрепленные зерна с течением времени затупляются, усилие резания увеличивается, и зерна выкрашиваются из связки, но не раскалываются. Рядом вступают в работу новые зерна, и процесс шлифования идет с равномерной интенсивностью.

Обработка закрепленными абразивными зернами в оптической технологии – это наиболее эффективный процесс обработки стекла. Его эффективность особенно увеличивается с применением природных и синтетических алмазов в инструментах на металлических связках, изготовленных методами порошковой металлургии.

Эффективность шлифования стекла закрепленными абразивными зернами обусловлена несколькими причинами.

1. Закрепленные абразивные зерна работают как резцы, оставляя на обрабатываемой поверхности стекла сплошные пересекающиеся царапины.

2. Закрепленные зерна разрушаются только при воздействии на стекло, но не от перетирания одного о другое.

3. Рабочее давление инструмента сосредоточивается на небольшом числе зерен, выступающих из связки, и достигает значительных величин.

4. Скорость резания составляет 15 – 25 м/с, а рабочее давление 1∙ 10^-6 Па.

5. Неоднородность размеров зерен не проявляется, поскольку они работают только частью, выступающей из связки острыми гранями.

6. Обильная подача СОЖ эффективно удаляет разрушенное стекло и теплоту.

7. При работе с малыми подачами образуются малые микронеровности поверхности при использовании зерен относительно крупной зернистости.

Удаление стекла идет столь интенсивно, что влияние химических реакций не успевает сказываться на скорости разрушения стекла в механическом процессе.

Процесс шлифования закрепленными абразивными зернами применяют для обработки вспомогательных поверхностей с шероховатостью до 2, 5 мкм и для тонкого шлифования исполнительных поверхностей.

Производительность обработки оптических поверхностей закрепленными абразивными зернами на этих операциях определяется объемом припуска, удаленного в единицу времени, и отсутствием дефектов (царапин, точек) на тонкошлифованной поверхности. Широкое применение синтетических алмазов привело к шлифованию всех вспомогательных поверхностей оптических деталей только алмазным инструментом.

Инструмент с закрепленными абразивными зернами применяется при тонком шлифовании оптических поверхностей, что позволяет избежать длительной технологической операции шлифования несколькими мелкими абразивными порошками и подготовить поверхность непосредственно к полированию. В этих случаях применяют алмазные инструменты с зернами мелких размеров и материал связки, имеющий некоторую пластичность. В дальнейшем, вероятно, станет возможным и алмазное полирование.

Шлифование суспензиями абразивных порошков. Обработка суспензиями абразивных порошков подготавливает исполнительные поверхности к последующему полированию с заданными значениями N, Δ N, Р.

Шлифующая суспензия представляет собой взвесь порошка абразивных зерен в воде.

Разрушение стекла происходит под действием абразивных зерен, передающих вибрационно-ударным действием кинематическую энергию инструмента на обрабатываемую поверхность стекла. Стекло разрушается абразивными зернами, и взамен исходной поверхности образуется поверхность с новыми более совершенными качествами.

Для шлифования применяют порошки, зерна которых по сравнению со стеклом имеют большую твердость. К таким порошкам относятся карбид кремния, электрокорундовые, кварцевые и алмазные порошки. Материалы этих порошков имеют абразивные свойства, т. е. при раскалывании образуют более мелкие частицы, имеющие также острые грани.

Зерна имеют пирамидальную огранку, у которой наибольший размер относится к наименьшему приблизительно как 2: 1, и острые вершины. Зерна различной крупности классифицируют по зернистости (размерам).

Вместе с водой зерна находятся между рабочей поверхностью металлического инструмента и обрабатываемой поверхностью стекла. Эти поверхности имеют неровности, размеры которых соизмеримы с размерами абразивных зерен;

Стекло и инструмент имеют значительный запас кинетической энергии. Относительное движение стекло – инструмент происходит при некоторой силе нажатия верхнего звена массой Q на нижнее и силе нажатия Р поводка станка, причем зерна перекатываются или проскальзывают с некоторой линейной скоростью .

Наиболее крупные из зерен взаимодействуют со стеклом и инструментом. Стекло разрушается, а инструмент, сделанный из более вязкого материала, изнашивается. Более мелкие зерна переносятся водой до тех пор, пока крупные не раздробятся, после чего мелкие зерна вовлекаются во взаимодействие со стеклом и инструментом.

В относительном перемещении кинетическая энергия инструмента (стекла) (рис. 7.2) передается стеклу (инструменту) 3 через действие абразивного зерна 2. Тангенциальными ударами вызывается разрушение стекла 1, местные пластические деформации материала инструмента 3 и раскалывание абразивного зерна 2. Благодаря соизмеримости поверхностных неровностей на стекле и инструменте энергия передается путем приложения к отдельным зернам элементарных сил вибрационно-ударного действия.

Зерна при встрече с выступами сопряженной поверхности парного притирающегося звена получают тангенциальный удар с силой R под углом 0 – 90° к направлению относительной скорости . Приложение нагрузки к каждому зерну имеет резко выраженный динамический характер. Динамическая сила R направлена по линии аа', соединяющей вершины зерна, одна из которых закреплена в материале шлифовальника более вязком, чем стекло, а другая воздействует на стекло.

Сила F _n направлена перпендикулярно вектору относительной скорости , поэтому не может производить работу по удалению слоя припуска. Сила F _n обеспечивает контакт между шлифовальником, абразивным зерном и стеклом, вызывает появление трещин в стекле и упругих деформаций инструмента, раздавливает выступы поверхностных неровностей на стекле.

Сила F _k направлена касательно к обрабатываемой поверхности и противоположна вектору относительной скорости . Она вызывает скалывание вершин поверхностных неровностей стекла и изнашивание рабочей поверхности инструмента. На каждом зерне силы F _h составляют элементарную пару, которая их перекатывает. При внешнем рассмотрении силы F _h представляют собой силы трения, но по существу это элементарные ударно-действующие силы, которые разрушают и удаляют стекло.

Каждую из вершин зерен, соприкасающихся со стеклом и инструментом и лежащих на линии аа', в данный момент времени можно считать мгновенным центром их относительного движения с вектором скорости . Зерно перекатывается со скоростью /2 в плоскости, содержащей линию аа' и вектор (плоскость чертежа на рис. 7.2), направленный против вектора силы F _k, т.е. ∆ (F _k ) = 180°.

Внедрение вершины зерна под действием ударной силы вызывает появление в стекле конических трещин, расположенных под углом (90 – 154)° одна к другой и уходящих в толщу стекла на величину, в 4 раза превышающую высоту k рельефного слоя. Разрушение наступает при повторном воздействии зерна на одни и те же места стекла. Конические трещины пересекаются; между ними образуется объем, отделившийся от монолитной массы стекла.

Нарушенный слой стекла толщиной n состоит из рельефного слоя k, имеющего высоту приблизительно ¼ – ⅓ среднего размера зерен, и трещиноватого слоя глубиной m, превышающей k приблизительно в 2 – 4 раза (рис. 7.2).

Зерно 2, закрепленное в одной из вершин, накатывается на склон впадины до тех пор, пока его наибольший размер не станет перпендикулярен к общей поверхности обработки. Вершина поверхностной неровности будет раздавлена, и высота ее уменьшится. При движении зерна точки его закрепления будут меняться и возможно его проскальзывание как относительно стекла, так и относительно инструмента 3.

При перекатывании по склону поверхностной неровности зерно может опрокидываться, и возникший при этом удар может повториться. Крупное зерно может раздробиться, но тогда в работу вступят другие зерна. Если при ударе будет сколот выступ ближайшей поверхностной неровности, то это вызовет или проскальзывание зерна, или его временное бездействие в большой впадине. При криволинейной или ломаной траектории перекатывания зерно может вращаться также вокруг оси аа'.

В работе разрушения стекла участвуют одновременно около 15% зерен, находящихся под шлифовальником. Другие зерна не участвуют в полезной работе, они или вымываются водой из рабочего пространства под инструментом или перетираются, т. е. не участвуют в процессе разрушения стекла. Измельченные зерна, смешанные с осколками разрушенного стекла, уносятся водой из-под шлифовальника.

Равномерность структуры шлифованной поверхности нарушается дефектами – царапинами, точками и выколками. Царапины образуются в том случае, если зерно надолго закрепляется в шлифовальнике или имеется более 5% зерен размером в 4 раза большим размера зерен основной фракции. В последнем случае крупные зерна не раскалываются и оставляют при перекатывании следы крупнее остальных.