Трещина в твердосплавной матрице обходится в тысячи долларов. Не из-за сырья, а потому что никто не обнаружил подповерхностные повреждения до тех пор, пока не произошел сбой в процессе производства. Карбид вольфрама не прощает некачественной шлифовки. При твердости от 1400 до 1800 HV он невероятно твердый, но эта твердость сопровождается хрупкостью. Одна неправильная настройка — и под поверхностью, которая на первый взгляд выглядит совершенно нормально, образуется сеть микротрещин.
Целостность поверхности — это не просто галочка в графическом описании качества. Это разница между твердосплавной пластиной, которая обрабатывает 10 000 деталей, и той, которая скалывается после 500. А для контроля этого необходимо понимать, что происходит на уровне материала, когда алмаз соприкасается с WC-Co.
Что означает целостность поверхности для карбида вольфрама?
Целостность поверхности описывает состояние поверхности и приповерхностной области материала после механической обработки. Для карбида вольфрама (WC-Co) это включает четыре измеримых фактора:
- Шероховатость поверхности (Ra) Количественно определяется методом профилометрии, обычно диапазон значений составляет от Ra 12,5 мкм на грубо шлифованных поверхностях до Ra 0,025 мкм на полированных поверхностях.
- Микротрещины боковые и срединные трещины, распространяющиеся в связующую фазу и вдоль границ зерен WC.
- Остаточное напряжение Растягивающее или сжимающее напряжение, зафиксированное в приповерхностном слое, напрямую влияет на усталостную долговечность и распространение трещин.
- Микроструктурные изменения фазовые превращения, истощение кобальтового связующего или вырывание зерен, вызванные чрезмерным тепловым воздействием.
Вот в чем проблема. Вы можете измерить шероховатость Ra с помощью профилометра $300. Но микротрещины и остаточные напряжения? Для их обнаружения требуются травление, рентгеновская дифракция или специализированные методы неразрушающего контроля. Большинство предприятий полностью игнорируют эти проверки, и именно отсюда возникают отказы.
Твердые сплавы ведут себя иначе, чем сталь, во время шлифовки. В традиционном понимании здесь отсутствует пластичное образование стружки. Удаление материала происходит за счет хрупкого разрушения зерен карбида вольфрама и выдавливания кобальтового связующего. Именно этот механизм разрушения делает контроль целостности поверхности таким критически важным и сложным.
Как параметры шлифовки влияют на целостность поверхности
При шлифовании твердосплавными материалами на качество поверхности влияют три основных параметра: глубина резания, скорость вращения шлифовального круга и скорость подачи заготовки. Любая ошибка в любом из этих параметров может привести к цепной реакции последствий.
Глубина реза
Это очень важный момент. Чрезмерно большая глубина резания — самый быстрый способ разрушить целостность поверхности. При чистовой шлифовке карбида вольфрама необходимо соблюдать глубину резания от 0,002 до 0,01 мм за проход. Да, это от двух до десяти микрон. Звучит мучительно медленно. Так и есть. Но при глубине 0,02 мм подповерхностные трещины могут распространяться в 5-10 раз глубже, чем при 0,005 мм.
Черновая шлифовка позволяет получить глубину шероховатости от 0,02 до 0,05 мм, но только при условии сохранения достаточного зазора для последующих чистовых проходов. Черновая шлифовка создаст подповерхностные повреждения глубиной примерно от 15 до 30 мкм. Этот слой повреждений необходимо полностью удалить на этапах получистовой и чистовой обработки.
Скорость вращения колеса и скорость подачи
Скорость вращения шлифовального круга для твердосплавных шлифовальных кругов обычно составляет от 25 до 35 м/с. Более высокие скорости уменьшают толщину отдельных стружек, что звучит хорошо, но приводит к большему нагреву. В случае с твердосплавными материалами термическое повреждение проявляется иначе, чем в случае со сталью. Вы не увидите следов ожога. Вместо этого происходит окисление кобальтового связующего и локальные концентрации напряжений, которые становятся местами зарождения трещин.
Скорость подачи заготовки определяет коэффициент перекрытия между соседними оборотами шлифовального круга. Более низкая скорость подачи означает большее зацепление круга с заготовкой на единицу длины, что улучшает шероховатость Ra, но увеличивает тепловыделение. Оптимальная скорость для чистовой шлифовки составляет от 5 до 15 м/мин, регулируемая в зависимости от ширины круга и длины контакта.
Поперечная подача (шаг за ход) объединяет все воедино. Для шлифовки твердых сплавов с поперечным перемещением подходит шаг от 0,5 до 2 мм за ход для чистовой обработки. При шаге более 3 мм остаются следы, для удаления которых требуется дополнительная полировка.
Выбор алмазного шлифовального круга для обеспечения целостности твердосплавной поверхности.
Алмаз — единственный абразив, который подходит для шлифовки карбида вольфрама. Кубический нитрид бора (CBN) вступает в реакцию с карбидом вольфрама при высоких температурах шлифовки, вызывая ускоренное разрушение шлифовального круга и химическое загрязнение поверхности заготовки. Если вы шлифуете WC-Co, то либо алмаз, либо ничего. Подробнее о различиях между этими абразивами можно узнать в [ссылка на источник]. наше сравнение шлифовальных кругов из кубического нитрида бора и алмазных шлифовальных кругов.
Но не все алмазные шлифовальные круги одинаковы. Система сцепления определяет, как круг ведет себя под нагрузкой, и это напрямую влияет на качество поверхности.
Алмазные диски с полимерным связующим
Смоляная связка — это оптимальный вариант для обеспечения целостности поверхности. Эластичные свойства смоляной матрицы обеспечивают микроамортизирующий эффект. Каждая частица алмазного абразива слегка поддается при контакте с заготовкой, снижая ударные нагрузки и уменьшая повреждения подповерхностного слоя. Смоляные связки самозатачивающиеся, то есть изношенные частицы отслаиваются, обнажая новые режущие кромки. Это предотвращает трение и перегрев.
Для шероховатости Ra от 0,1 до 0,4 мкм стандартным выбором являются шлифовальные круги на смоляной связке с алмазным абразивом зернистостью от 150 до 240. Для зеркальной полировки с шероховатостью ниже Ra 0,1 мкм достаточно шлифовальных кругов на смоляной связке с зернистостью от 280 до 600, часто с последующей полировкой в сочетании с притирочными пастами.
Алмазные диски с витрифицированной связкой
Стекловидная связка обеспечивает лучшую фиксацию формы, чем смола, что делает ее подходящей для профильного шлифования и ситуаций, когда геометрическая точность важнее абсолютной чистоты поверхности. Связка более жесткая, что означает более высокие усилия шлифования и несколько большее повреждение подповерхностного слоя, но она сохраняет форму шлифовального круга в течение более длительных производственных циклов. Ожидаемые значения Ra находятся в диапазоне от 0,4 до 0,8 мкм при использовании абразива зернистостью от 80 до 120.
Металлические алмазные диски с армированием
Металлическая связка — это основной материал для агрессивной обработки. Это самая твердая и долговечная система связок, но она обеспечивает самую грубую поверхность и наносит наибольший ущерб подповерхностному слою. Используйте ее только для черновой обработки. Металлические шлифовальные круги с зернистостью от 36 до 60 быстро удаляют материал, но оставляют поверхность, требующую тщательной чистовой обработки. Типичные значения Ra составляют от 1,6 до 6,3 мкм.
Принцип прост: мягкие связки для твердых материалов (для обеспечения свободного резания), жесткие связки для мягких материалов (чтобы предотвратить вырывание абразива до того, как он выполнит свою работу). Поскольку твердосплав имеет твердость от 1400 до 1800 HV, более мягкие связки, такие как смола, всегда превосходят жесткие связки по качеству конечной поверхности. Более подробную информацию о философии выбора шлифовального круга см. в [ссылка]. Наше руководство по выбору шлифовальных кругов для современных инструментальных цехов.
Процесс полировки: от грубой шлифовки до зеркальной поверхности.
Целостность поверхности при обработке карбидом не достигается за один этап. Это постепенное удаление поврежденных слоев. На каждом этапе удаляются повреждения, оставленные предыдущим этапом, и если пропустить этап, повреждения с предыдущего этапа проявятся на конечной поверхности.
Вот типичная четырехэтапная последовательность:
| Этап | Абразивный / абразивный | Целевое значение Ra (мкм) | Изъятие товара | Цель |
|---|---|---|---|---|
| Грубая шлифовка | Алмазный диск, 36-60# | 3.2 – 12.5 | 0,05 – 0,2 мм | Формирование, удаление насыпного материала |
| Полуфабрикат | Алмазный диск, 80-120# | 0,4 – 1,6 | 0,01 – 0,03 мм | Удалить слой повреждений от грубой шлифовки |
| Финишная шлифовка | Алмаз из смолы, 150-240# | 0,1 – 0,4 | 0,002 – 0,01 мм | Определить окончательную геометрию, минимизировать остаточные напряжения. |
| Польский / Лапский | Алмазная смола, 280-600# или насыпной абразив | 0,025 – 0,1 | 0,001 – 0,005 мм | Удалите подповерхностные повреждения, добейтесь зеркальной поверхности. |
Критически важным является переход от получистовой к чистовой обработке. Именно здесь изменяется характер остаточных напряжений. При более высоких скоростях съема материала шлифовка приводит к возникновению растягивающих остаточных напряжений. По мере уменьшения глубины резания и перехода на более мелкие зерна с использованием смоляной связки профиль напряжений смещается в сторону сжимающих. Сжимающие остаточные напряжения желательны; они препятствуют распространению трещин и продлевают срок службы компонента.
При полировке и притирке твердосплавных деталей переход от связанного абразива к рыхлому часто происходит на стадии абразива с зернистостью 280 и мельче. Алмазная суспензия (частицы алмаза размером от 1 до 6 мкм в несущей жидкости) на чугунном притирочном круге обеспечивает чистоту поверхности ниже Ra 0,05 мкм. Процесс медленный. Иногда мучительно медленный. Но если этого требует конкретная задача, быстрого решения не существует.
Нанесение алмазной пасты с постепенно уменьшающимся размером частиц (15 мкм, 9 мкм, 6 мкм, 3 мкм, 1 мкм) на различные поверхности притирки (чугун, олово, керамика) позволяет получить зеркальную поверхность из карбида, соответствующую оптическим стандартам. Эта последовательность хорошо известна цехам, занимающимся изготовлением пресс-форм для литья под давлением.
Выявление и предотвращение повреждений подземных слоев
Нельзя исправить то, чего не видишь. А самые серьезные проблемы с целостностью поверхности при шлифовании твердосплавными материалами невидимы.
Химическое травление
Наиболее доступным методом обнаружения подповерхностных повреждений является химическое травление. Погрузите отшлифованную твердосплавную деталь в реактив Мураками (феррицианид калия + гидроксид натрия) или разбавленный раствор азотной кислоты. Реактив воздействует на границы зерен и выявляет сети микротрещин, невидимые на поверхности после шлифовки. Обычно достаточно погружения на 10-30 секунд. Если на протравленной поверхности видна сеть трещин, значит, параметры шлифовки были неправильными.
В чем ограничение? Травление — разрушительный процесс. Нельзя протравить готовую деталь и при этом продолжать ее использовать. Поэтому травление работает как инструмент проверки процесса на тестовых образцах, отшлифованных в идентичных условиях, а не как метод контроля качества на самой заготовке.
Профилометрия поверхности
Стилусная профилометрия позволяет получить значения Ra, Rz, Rq и другие параметры. Но одного значения Ra недостаточно. Две поверхности с одинаковыми значениями Ra могут иметь совершенно разные профили целостности в зависимости от условий шлифовки. Поверхность, отшлифованная со слишком большой глубиной резания, может иметь то же значение Ra, что и поверхность, отшлифованная правильно, но с более глубокими и широкими промежутками между пиками. Именно поэтому Rz (максимальная высота) и кривая коэффициента несущей способности (tp) часто лучше коррелируют с функциональными характеристиками, чем Ra.
Оптическая профилометрия (интерферометрия белого света, конфокальная микроскопия) добавляет третье измерение. С её помощью можно увидеть фактическую топографию, определить образование ямок по вырыванию зерен и измерить длину отдельных трещин. Это более медленный и дорогостоящий метод, но для таких важных компонентов, как штампы для волочения проволоки или прецизионные штамповочные инструменты, он оправдывает вложения.
Шум Баркхаузена и неразрушающие методы
Анализ шума Баркхаузена применим к ферромагнитным материалам, а поскольку кобальтовое связующее в WC-Co является ферромагнитным, он подходит и для твердых сплавов. Изменения в сигнале шума Баркхаузена коррелируют с состоянием остаточных напряжений в связующей фазе. Высокая активность сигнала указывает на растягивающее напряжение. Низкая активность указывает на сжимающее напряжение. Метод является неразрушающим, быстрым и подходит для производственного контроля твердосплавных компонентов по стандарту 100%.
Но этот метод измеряет только связующую фазу, а не сами зерна WC. Поэтому это косвенный, а не прямой метод измерения. Тем не менее, в производственных условиях он позволяет быстро выявлять наиболее проблемные образцы.
Практические рекомендации и краткий справочник
После многолетней работы с шлифовальными и полировочными материалами на основе карбидов, я пришел к выводу, что именно обеспечивает неизменно высокое качество поверхности:
| Тип связи | Лучше всего подходит для | Типичный диапазон Ra | Рейтинг целостности поверхности | Жизнь на колесах |
|---|---|---|---|---|
| Склеивание смолой | Финишная шлифовка, полировка | 0,025 – 0,4 мкм | Отличное состояние (незначительные повреждения подповерхностного слоя) | Умеренный |
| Витрифицированная облигация | Профильная шлифовка, получистовая обработка | 0,4 – 1,6 мкм | Хороший (умеренный урон) | Хороший |
| Металлическая связь | Грубая шлифовка, снятие материала. | 1,6 – 12,5 мкм | Удовлетворительное состояние (значительный слой повреждений) | Отличный |
- Всегда завершайте шлифовку в одном направлении. Изменение направления обработки в середине прохода приводит к непоследовательному распределению остаточных напряжений.
- Охлаждающая жидкость для заливки является обязательным условием. Твердосплав плохо проводит тепло. Сухая шлифовка гарантирует термическое повреждение даже при консервативных параметрах.
- Регулярно меняйте положение колеса. Нагруженный алмазный шлифовальный круг не режет, а трется, генерируя тепло и остаточные растягивающие напряжения. Шлифовальные круги на смоляной связке самозатачиваются, но для шлифовальных кругов на стекловидной и металлической связке необходимы запрограммированные циклы заточки.
- Не пропускайте этапы обработки абразивными материалами. Переход от абразива зернистостью 60 к 240 означает, что шлифовальный круг 240 тратит всю свою жизнь на удаление повреждений, нанесенных абразивом 60-й зернистости, вместо создания нового покрытия. Поэтапное шлифование в долгосрочной перспективе оказывается быстрее.
- Сначала проверьте на тестовом образце. Перед началом серийного производства дорогостоящих твердосплавных заготовок отшлифуйте пробный образец в тех же условиях, протравите его и проверьте состояние.
И ещё один момент. Спецификация шлифовального круга и параметры шлифовки — это только половина дела. Жесткость станка имеет огромное значение. Шлифовальный станок с изношенными подшипниками шпинделя или направляющими стола создаёт вибрацию, которую не сможет компенсировать ни одна спецификация шлифовального круга. Даже самый лучший в мире алмазный круг на изношенном станке даст некачественную поверхность.
Заключение
Контроль целостности поверхности при шлифовании твердосплавными дисками заключается в понимании причинно-следственной связи. Система сцепления шлифовального круга определяет силы шлифования. Силы шлифования определяют глубину повреждений под поверхностью. Повреждения под поверхностью определяют остаточные напряжения. А остаточные напряжения определяют, прослужит ли ваш твердосплавный компонент или выйдет из строя.
Не существует единой настройки или волшебного колеса, которое решило бы все проблемы. Для получения стабильных результатов необходима правильная комбинация типа связующего вещества, размера зерна, параметров шлифовки и последовательных этапов финишной обработки. И необходима проверка, будь то с помощью профилометрии, травления или методов неразрушающего контроля, чтобы подтвердить, что то, что вы предполагаете, действительно происходит.
Если вы ищете алмазные шлифовальные круги, разработанные для обеспечения целостности твердосплавной поверхности, Компания Zhengzhou Zhongxin Grinding Wheel Co., Ltd. (郑州众信砂轮有限公司) Компания производит полный ассортимент алмазных шлифовальных кругов на смоляной, стеклокерамической и металлической связке с зернистостью от 36 до 600 меш. Мы поможем вам подобрать подходящий круг в соответствии с конкретным классом твердосплава, конфигурацией станка и требованиями к качеству поверхности.
Свяжитесь с нами, чтобы обсудить вашу заявку:
- Электронная почта: root@shalun.net
- Телефон/WeChat: 15538050608
- Тел.: 0371-62513386
- Адрес: 河南省郑州市上街区科学大道1111-1号