RU2071408C1 - Method for dressing of abrasive tools made from extrahard materials - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture, dressing and cleaning of abrasive tools with metal, ceramic or organic binders. SUBSTANCE: method involves exposing working surface of tool to pulsed laser or corpuscular radiation (accelerated proton beams, cumulative plasma fluxes), with radiation being focused to obtain spot having size substantially exceeding abrasive grain size. Pulse time t(c) and average radiation intensity value q (Wt/sq m) are determined by ratio recited in Specifications. The values of t and q selected provide evaporation of binder without destructing diamond (abrasive) grains, which are heated under the action of short pulses to temperature not exceeding diamond graphitization temperature. EFFECT: increased efficiency, simplified method and improved quality of abrasive tools.

Description

Изобретение относится к производству и эксплуатации абразивных инструментов из сверхтвердых материалов, например, алмазных порошков, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении или очистке от засаливания различных видов абразивных инструментов на металлических, керамических или органических связках (шлифовальные круги, пилы, сверла, надфили и т.д.). Кроме того, изобретение может быть использовано в медицине, например, для восстановления эксплуатационных характеристик стоматологических боров с алмазным покрытием. The invention relates to the production and operation of abrasive tools from superhard materials, for example, diamond powders, and can be used in mechanical engineering in the manufacture or cleaning from greasing of various types of abrasive tools on metal, ceramic or organic bonds (grinding wheels, saws, drills, files and etc.). In addition, the invention can be used in medicine, for example, to restore the operational characteristics of dental burs with a diamond coating.

Известен способ правки алмазных инструментов, включающий электроэрозионную обработку алмазоносного слоя на металлической связке [1] На электропроводную связку действуют электрическими импульсами (разрядами), которые осуществляют локальное оплавление связующего материала, а также частичное испарение и выброс его из микрократеров, образующихся при этом на обрабатываемой поверхности. В качестве правящего инструмента для электроэрозионной обработки используют металлический электрод в форме бруска, предварительно приработанного по профилю правящейся алмазоносной поверхности. A known method of dressing diamond tools, including electrical discharge machining of a diamond-bearing layer on a metal bond [1] The electrical conductive bond is affected by electric pulses (discharges) that localize the bonding material, as well as partially evaporate and eject it from the microcraters that form on the surface to be treated . As the ruling tool for electric discharge machining, a metal electrode is used in the form of a bar previously worked out along the profile of the ruling diamondiferous surface.

Известный способ имеет ряд недостатков: недостаточно высокая скорость обработки алмазного инструмента, невысокая точность обработки, невозможность правки алмазных инструментов на непроводящих связках. Кроме того, необходимость применение жидкости и подвод электрического импульсного напряжения непосредственно к обрабатываемой поверхности усложняет конструкцию используемого оборудования и создает дополнительные экологически вредные факторы. The known method has several disadvantages: insufficiently high processing speed of a diamond tool, low precision machining, the inability to edit diamond tools on non-conductive bundles. In addition, the need to use a liquid and supply an electric pulse voltage directly to the surface to be treated complicates the design of the equipment used and creates additional environmentally harmful factors.

Наиболее близким к описываемому является способ правки инструментов из сверхтвердых материалов, при котором производят облучение рабочей поверхности инструмента потоками концентрированной энергии, нагревая ее до температуры разрушения связки лазерным излучением, сфокусированным в пятно, площадь которого значительно превышает размеры абразивных зерен [2]
Известный способ может быть применен только при правке кругов на керамической связке, не обеспечивает высокой производительности обработки и не пригоден для правки кругов на других типах связок.Closest to the described is a method of dressing tools from superhard materials, in which the working surface of the tool is irradiated with concentrated energy flows, heating it to the temperature of the bond destruction by laser radiation focused into a spot, the area of which significantly exceeds the size of abrasive grains [2]
The known method can only be applied when dressing circles on a ceramic bond, does not provide high processing performance and is not suitable for dressing circles on other types of bonds.

Изобретение направлено на повышение производительности правки кругов на различных связках за счет обеспечения избирательного испарения материала связки под действием интенсивных импульсных потоков энергии при одновременном исключении разрушения абразивных зерен. The invention is aimed at increasing the productivity of dressing circles on various ligaments by providing selective evaporation of the ligament material under the influence of intense pulsed energy flows while eliminating the destruction of abrasive grains.

Описываемый способ реализуют путем облучения поверхности инструмента импульсными потоками лазерного или корпускулярного излучения, причем длительность импульсов t(c) и среднее значение интенсивности q (Вт/м²) излучения в зоне воздействия выбирают из следующих соотношений:
d ≅ 2(L₁t/c₁ρ₁)^1/2≅ r (1)

где d глубина проникновения излучения в материал связки, (м);
r размер абразивных зерен инструмента (м);
L_i, C_i, ρ_i коэффициент теплопроводности (Вт/м•К); удельная теплоемкость (Дж/кг•К); плотность (кг/м³) материала связки (i 1) и абразивных зерен (i 2) соответственно;
H удельная теплота испарения связки (Дж/моль);
Т₀ исходная температура облучаемой поверхности (К);
T₁ температура разрушения абразивных зерен или температура графитизации для алмаза (К);
А 0,1-0,9 коэффициент поглощения энергии импульсов облучаемой поверхностью.The described method is implemented by irradiating the surface of the instrument with pulsed fluxes of laser or particle radiation, and the pulse duration t (c) and the average value of the radiation intensity q (W / m ² ) in the exposure zone are selected from the following ratios:
d ≅ 2 (L ₁ t / c ₁ ρ ₁ ) ^1/2 ≅ r (1)

where d is the depth of radiation penetration into the binder material, (m);
r the size of the abrasive grains of the tool (m);
L _i , C _i , ρ _i thermal conductivity coefficient (W / m • K); specific heat (J / kg • K); the density (kg / m ³ ) of the binder material (i 1) and abrasive grains (i 2), respectively;
H is the specific heat of vaporization of the binder (J / mol);
T ₀ initial temperature of the irradiated surface (K);
T ₁ is the fracture temperature of the abrasive grains or the graphitization temperature for diamond (K);
A 0.1-0.9 coefficient of absorption of energy of pulses by the irradiated surface.

Благодаря тому, что для выпаривания связки на обрабатываемой поверхности используются мощные импульсные потоки корпускулярного или лазерного излучения, достигается увеличение скорости эрозии, поскольку при этом обеспечивается обнажения абразивных зерен на большой площади (1.10 см² за время порядка 0,1.1 с.Due to the fact that powerful pulsed fluxes of corpuscular or laser radiation are used to evaporate the binder on the treated surface, an increase in the erosion rate is achieved, since this ensures exposure of abrasive grains over a large area (1.10 cm ² over a time of the order of 0.1.1 s.

Благодаря тому, что длительность импульса и интенсивность излучения на абразивной поверхности инструмента устанавливают в соответствии с соотношениями (1), (2) реализуются оптимальные режимы облучения, при которых обеспечивается эффективное испарение поверхностного слоя связки любого типа (органической, керамической или металлической) без разрушения абразивных (алмазных) зерен, за счет чего достигается необходимая прочность закрепления обнажившихся при этом зерен на рабочей поверхности инструмента. Due to the fact that the pulse duration and radiation intensity on the abrasive surface of the instrument are set in accordance with relations (1), (2), optimal irradiation modes are realized in which efficient evaporation of the surface layer of any type of bond (organic, ceramic or metal) is ensured without destruction of the abrasive (diamond) grains, due to which the required strength of fixing the exposed at the same time grains on the working surface of the tool is achieved.

Способ позволяет в принципе реализовать правку алмазного инструмента по всей ее рабочей поверхности в течение однократного импульса облучения за счет фокусировки излучения в область нагрева, геометрия которой соответствует геометрии обрабатываемой поверхности. The method allows, in principle, to realize the editing of a diamond tool over its entire working surface during a single irradiation pulse by focusing the radiation in the heating region, the geometry of which corresponds to the geometry of the processed surface.

Соотношение (1) позволяет выбрать длительность импульса t излучения, при которой глубина проникновения тепла в вещество связки h₁ меньше размеров r алмазных зерен, но больше чем глубина проникновения излучения d в связку (

, где K₁ коэффициент температуропроводности, равный K₁= λ₁(c₁ρ₁).).Relation (1) allows one to choose the duration of the radiation pulse t at which the depth of heat penetration into the binder material h _{1 is} less than the size r of diamond grains, but greater than the depth of radiation penetration d into the bundle (

, where K _{1 is the} coefficient of thermal diffusivity equal to K ₁ = λ ₁ (c ₁ ρ ₁ ).).

При найденной длительности импульса соотношения (2) позволяет определить необходимую величину q интенсивности излучения усредненной по площади пятна нагрева S, которая значительно превышает размер зерен r, достаточную для эффективного испарения приповерхностного слоя связки толщиной d ≲ h₁. При этом алмазные зерна не разрушаются, поскольку их температура не превосходит температуру графитизации Т₁, что обусловлено высоким значением коэффициента температуропроводности алмаза (λ₂/c₂ρ₂≫ λ₁/c₁ρ₁)..With the found pulse duration, relation (2) allows one to determine the necessary value q of the radiation intensity averaged over the area of the heating spot S, which significantly exceeds the grain size r, sufficient for effective evaporation of the surface layer of the binder with a thickness d ≲ h ₁ . In this case, diamond grains are not destroyed, since their temperature does not exceed the graphitization temperature T ₁ , which is due to the high value of the coefficient of thermal diffusivity of diamond (λ ₂ / c ₂ ρ ₂ ≫ λ ₁ / c ₁ ρ ₁ ) ..

Проводились исследования взаимодействия импульсного корпускулярного и лазерного излучения с режущей алмазоносной поверхностью шлифовальных кругов на металлических (80% Cu + 20% Sn) и органических (бакелит) связках. The interaction of pulsed particle and laser radiation with the cutting diamond-bearing surface of grinding wheels on metal (80% Cu + 20% Sn) and organic (bakelite) bonds was studied.

Для облучения опытны образцов использовались пучки ускоренных протонов с энергией 100-200 кэВ, плотностью тока на алмазоносной поверхности до 100 А/см², и с t 0,5-1,0 мкс, формируемые в инжекторе ионного индукционного ускорителя, лазерное излучение (стеклянный лазер типа ГОС-301) с энеpгией импульса до 300 Дж и t 1 мс, а также кумулятивные плазменные потоки с интенсивностью в зоне облучения q 1-20 ГВт/м² и t 20-200 мкс, формируемые с помощью импульсного эрозионного плазменного ускорителя.Beams of accelerated protons with an energy of 100-200 keV, a current density on the diamond-bearing surface of up to 100 A / cm ² , and with t 0.5-1.0 μs, formed in the injector of an ionic induction accelerator, laser radiation (glass laser of the GOS-301 type) with pulse energies up to 300 J and t 1 ms, as well as cumulative plasma flows with an intensity in the irradiation zone q 1-20 GW / m ² and t 20-200 μs generated using a pulsed erosion plasma accelerator.

Расчетные значения оптимальных параметров облучающих импульсов, определенные по соотношениям (1), (2), для алмазного инструмента на медно-оловянной связке имеют следующие значения
4•10^-10 < t(c) < 4•10^-4 (1)
3,8•10⁷ < q (Вт/м²)•t^0,5 < 10,5•10⁷ (2)
При вычислении этих величин теплофизические параметры для связки и алмаза брались при Т₁ 1200 К на основании данных, приведенных в книге "Таблицы физических величин", Справочник под ред. акад. И.К. Кикоина. М. Атомиздат, 1976, c. 1008, и имели следующие численные значения:
для связки:
C₁ 450 Дж/кг•К
ρ₁= 8900 кг/м³
L₁ 10 Вт/м•К
H 304000 Дж/моль
для алмаза:
C₂ 1750 Дж/кг•К
ρ = 3500 кг/м³
L₂ 140 Вт/м•К
T₀ 300 К.The calculated values of the optimal parameters of the irradiating pulses, determined by the relations (1), (2), for a diamond tool on a copper-tin bundle have the following values
4 • 10 ^-10 <t (s) <4 • 10 ^-4 (1)
3.8 • 10 ⁷ <q (W / m ² ) • t ^0.5 <10.5 • 10 ⁷ (2)
When calculating these quantities, the thermophysical parameters for the bond and diamond were taken at T ₁ 1200 K based on the data given in the book “Tables of physical quantities”, Handbook, ed. Acad. I.K. Kikoina. M. Atomizdat, 1976, p. 1008, and had the following numerical values:
for a bunch:
C ₁₄₅₀ J / kg • K
ρ ₁ = 8900 kg / m ³
L ₁ 10 W / m • K
H 304000 J / mol
for diamond:
C ₂ 1750 J / kg • K
ρ = 3500 kg / m ³
L ₂ 140 W / m • K
T ₀ 300 K.

Глубина поглощения энергии облучающих импульсов в связке полагалась равной d 0,1-1 мкм, коэффициент поглощения энергии в связке и алмазе А 0,5, размер алмазных зерен r 100 мкм. The energy absorption depth of the irradiating pulses in the bundle was assumed to be d 0.1-1 μm, the energy absorption coefficient in the bundle and diamond is A 0.5, and the diamond grain size is 100 μm.

Было установлено, что более высокие результаты достигаются при более коротких импульсах в пределах условий, заданных соотношениями (1), (2). При невыполнении соотношения (1), например, при длительности импульсов t > 0,4 мс, правка кругов на Cu-Sn связке не происходит. Это имело место при использовании лазерного излучения. It was found that higher results are achieved with shorter pulses within the conditions specified by relations (1), (2). If relation (1) is not fulfilled, for example, when the pulse duration is t> 0.4 ms, straightening of the circles on the Cu-Sn bond does not occur. This was the case when using laser radiation.

В то же время лазерная правка инструмента на органической связке была весьма эффективной, т. к. при этом t < 20 мс. Пучки ускоренных протонов и плазменные сгустки дают близкие по эффективности результаты, однако с практической точки зрения использование плазмы более предпочтительно, поскольку плазменный ускоритель, в отличие от протонного, не требует вакуумных условий при функционировании и работает при существенно более низких ускоряющих напряжениях. At the same time, laser dressing of the instrument on an organic bond was very effective, since t <20 ms. Beams of accelerated protons and plasma clumps give similar results in efficiency, but from a practical point of view, the use of plasma is more preferable, since a plasma accelerator, unlike a proton, does not require vacuum conditions for operation and operates at significantly lower accelerating voltages.

Проводилось облучение поверхности плазменными сгустками при длительности импульса облучения t 100 мкс. The surface was irradiated with plasma clots with an irradiation pulse duration of t 100 μs.

Величина интенсивности q, определенная из соотношения (2) находилась в диапазоне значений
3,8 < q (ГВт/м² < 10,5
Эксперименты показали, что
при q 1 ГВт/м² что ниже значения, определенного из (2), правки нет, видны каверны на месте выпавших зерен;
при q 8 ГВт/м² есть правка, видны выступившие над поверхностью алмазные зерна;
при q 12 ГВт/м², что незначительно превышает верхний предел от (2), оголившиеся зерна частично разрушены облучающим потоком.The intensity q determined from relation (2) was in the range of values
3.8 <q (GW / m ² <10.5
The experiments showed that
at q 1 GW / m ² which is lower than the value determined from (2), there is no correction, caverns are visible at the place of the precipitated grains;
at q 8 GW / m ² there is a dressing, diamond grains protruding above the surface are visible;
at q 12 GW / m ² , which slightly exceeds the upper limit from (2), the exposed grains are partially destroyed by the irradiating stream.

Описываемый способ позволяет обрабатывать алмазный инструмент с любым типом связки, независимо от физико-химических свойств, что обусловлено импульсным нагревом рабочей поверхности инструмента до температуры испарения связки при одновременном нагреве алмазных зерен до температуры, не превышающей температуру графитизации алмаза (2000^oС при малых временах облучения t ≲ 10^-3c).The described method allows you to process a diamond tool with any type of binder, regardless of physico-chemical properties, which is due to the pulsed heating of the working surface of the tool to the evaporation temperature of the binder while heating the diamond grains to a temperature not exceeding the graphitization temperature of diamond (2000 ^o C at short exposure times t ≲ 10 ^-3 c).

Способ обеспечивает улучшение качества обработанной алмазоносной поверхности за счет уменьшения на ней неровностей, поскольку однородной эрозии подвергается сразу сравнительно большая площадь (более 1 см², а высота шероховатостей рельефа на обработанной поверхности находится на уровне 10^-3. 10^-2 мм. Достоинством способа является также его экологическая чистота. Это обусловлено отсутствием абразивной пилы или химически активных веществ при обработке алмазного инструмента, а пазы, образующиеся при испарении материала связки могут быть легко сконцентрированы на охлаждаемых поверхностях специальных защитных кожухов, которыми снабжаются установки для правки таких инструментов.The method improves the quality of the processed diamond-bearing surface by reducing unevenness on it, since a relatively large area (more than 1 cm ² , and the height of the roughness of the relief on the treated surface is at the level of ^10-3 . 10 ^-2 mm is exposed to uniform erosion). The advantage of the method is Its ecological cleanliness is also due to the absence of an abrasive saw or chemically active substances when processing diamond tools, and the grooves formed during the evaporation of the binder material can be It is easy to concentrate on the cooled surfaces of special protective covers, which are provided for straightening installation of such tools.

Claims (1)

Способ правки абразивных инструментов из сверхтвердых материалов, например алмазных порошков, при котором производят облучение рабочей поверхности инструмента потоками концентрированной энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности правки, облучение производят импульсными потоками лазерного или корпускулярного излучения, а длительность импульсов t(c) и среднее значение интенсивности q (Вт/м²) излучения в зоне воздействия устанавливают в соответствии со следующими соотношениями:
d≅2(L₁t/C₁P₁)^1/2≅r;
0,01H(C₁P₁L₁)^1/2≅ Aqt^1/2≅ 2(T₁-T₀)(C₂P₂L₂)^1/2,
где d глубина проникновения излучения в материалах связки, м;
r размер абразивных зерен инструмента, м;
L_i, C_i, P_i коэффициент теплопроводности, Вт/м•К; удельная теплоемкость, Дж/кг•К и плотность, кг/м³, материала связки (i 1) и абразивных зерен (i 2), соответственно;
H удельная теплота испарения связки, Дж/моль;
Т_о исходная температура облучаемой поверхности, К;
Т₁ температура разрушения абразивных зерен или температура графитизации для алмаза, К;
А 0,1 0,9 коэффициент поглощения энергии импульсов облучаемой поверхностью.The method of dressing abrasive tools from superhard materials, for example diamond powders, in which the working surface of the tool is irradiated with concentrated energy flows, characterized in that, in order to improve the dressing productivity, the irradiation is performed by pulsed laser or particle radiation fluxes, and the pulse duration t (c) and the average value of the intensity q (W / m ² ) of radiation in the exposure zone is set in accordance with the following ratios:
d≅2 (L ₁ t / C ₁ P ₁ ) ^1/2 ≅r;
0.01H (C ₁ P ₁ L ₁ ) ^1/2 ≅ Aqt ^1/2 ≅ 2 (T ₁ -T ₀ ) (C ₂ P ₂ L ₂ ) ^1/2 ,
where d is the depth of radiation penetration in the materials of the binder, m;
r the size of the abrasive grains of the tool, m;
L _i , C _i , P _i thermal conductivity coefficient, W / m • K; specific heat, J / kg • K and density, kg / m ³ , binder material (i 1) and abrasive grains (i 2), respectively;
H is the specific heat of vaporization of the binder, J / mol;
T _{about the} initial temperature of the irradiated surface, K;
T ₁ is the fracture temperature of abrasive grains or the temperature of graphitization for diamond, K;
And 0.1 0.9 the coefficient of absorption of energy of pulses by the irradiated surface.