АБРАЗИВНО-АЛМАЗНАЯ ОБРАБОТКА

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

ТВЕРДОСТЬ

Под твердостью абразивного инструмента понимается со­противляемость связки вырыванию абразивных зерен с поверх­ности инструмента под влиянием внешних сил. Эта способность сопротивления определяется силами, с которыми связаны между собой зерно и связка. Таким образом, твердость абразивного инструмента это не твердость связки, как утверждают некоторые авторы, а ее способность сопротивляться действующим на абра­зивные зерна силам, которые возникают в процессе шлифова­ния. Твердость связки всегда на 1—2 степени меньше, чем твердость абразивного инструмента. К этому понятию следует добавить, что речь идет о зернах определенной степени зернистости, так как прочность сцепления зерен разной степени зернистости, при прочих равных условиях, различна. Кроме того, надо учиты­вать, что при существующих методах определения твердости зерна вырываются не только с поверхности, но и с расстояния от нее до 5 мм.

Твердость зерен абразивных материалов в несколько десятков раз выше, чем твердость связки, скрепляющей их. Из зерен разных абразивных материалов, различающихся по твердости, можно изготовить абразивные инструменты одной и той же твердости. Абразивные инструменты одной и той же твердости, изготовленные из одного и того же абразивного материала, но на различных связ­ках, ведут себя в работе по-разному. Поэтому абразивные инстру­менты одинаковой характеристики, изготовленные на различных заводах, могут отличаться по своим рабочим свойствам, так как заводы, производящие абразивный инструмент, применяют для связок главным образом местное сырье. Из самого твердого абра­зивного материала может быть изготовлен весьма мягкий абразив­ный инструмент.

В процессе работы абразивного инструмента его зерна посте­пенно затупляются, вследствие чего ширина снимаемой стружки и силы резания несколько возрастают. При этом давления на зерна 71

и скрепляющую их связку также возрастают, и если они прево­сходят их прочность или прочность связки, то зерна обламываются или выкрашиваются целиком или частично. Выкрашиванию и обламыванию вершин зерен, а также обламыванию непрочных зерен в сильной степени способствует то, что каждое зерно абразив­ного инструмента в процессе шлифования работает на удар, сила которого зависит от режима работы абразивного инструмента. Таким образом, чем тверже абразивный инструмент, чем прочнее связь между зернами и сами зерна, тем медленнее будет происхо­дить обновление режущей поверхности, тем больше затупляются зерна, возрастают силы, которые в конечном итоге или превзойдут сопротивление связки и повлекут выкрашивание и обламывание зерен, или приведут к такому затуплению зерен, что резание пре­кратится. Следовательно, между твердостью абразивного инструмента, допускаемой степенью его затупления и режимом его работы существует определенная зависимость: чем тяжелее режим работы, тем относительно тверже может применяться абразивный инструмент, тем больше допускается затупление его зерен. При работе слишком мягким абразивным инструментом на тяжелом режиме абразивные зерна будут выкрашиваться не- затупившимися.

Существует также определенная зависимость между твердостью абразивного инструмента, свойствами обрабатываемого материала и допустимой степенью затупляемости абразивных зерен. Опыт показывает, что чем прочнее и вязче обрабатываемый материал, тем допускается меньшая степень затупления для нормальной ра­боты абразивного инструмента, тем мягче он должен быть.

Твердость абразивного инструмента зависит также от вида абразивного материала, степени его зернистости, степени шерохо­ватости поверхности абразивных зерен и их конфигурации, адге­зии между зерном и связкой. Так, зерна карбида кремния хуже сцепляются со связкой, при одном и том же ее количестве, чем зерна электрокорунда, так как последние химически взаимодей­ствуют со связкой в процессе обжига абразивного инструмента и имеют значительную шероховатость.

Таким образом, количество связки, необходимое для получения абразивного инструмента определенной степени твердости, зависит от ее качества, вида абразивного материала, шероховатости по­верхности зерен и технологического процесса производства (дав­ление, режим обжига и т. п.). Между тем существующие шкалы твердостей составлены для абразивных инструментов независимо от состава массы (абразивного материала и связки), хотя факти­чески одинаковая по показаниям приборов твердость не является равнозначной для разных абразивных материалов. Твердость аб­разивного инструмента зависит также от его строения, что, в свою очередь, определяет его работоспособность. Чем более открытая структура абразивного инструмента, тем большее количество связки требуется для получения одной и той же степени твер­дости.

Фактически в одном и том же абразивном инструменте имеются зерна и поры разной величины, т. е. каждое зерно имеет разную поверхность и расположено на неодинаковом расстоянии друг от друга. Отсюда следует, что поверхность и сила сцепления зерен различная, а следовательно, и сила сопротивления зерен внешним силам различная. Этим в окончательной степени объясняется ха­рактер износа и самозатачивания абразивных инструментов, а также различие в глубине лунок, получаемых при определении твердости в различных местах одного и того же абразивного ин­струмента.

Как показывает опыт, даже при весьма тщательном разравни­вании и укладке массы имеют место некоторые отклонения от сред­ней глубины лунок, особенно заметные в мелкозернистых абразив­ных инструментах. Измерения показывают, что эти отклонения колеблются до 30 % и более даже в инструментах, показывающих хорошую стойкость в работе.

Определение твердости абразивных инструментов на керами­ческой и бакелитовой связках зернистостью № 160—12 произво­дится измерением глубины лунки, образующейся на абразивном инструменте под действием струи кварцевого песка № 80—63, выбрасываемой из камеры пескоструйного аппарата (рис. 22)

под давлением 1,5 кГ/см². Объем рабочей порции песка опреде­ляется емкостью рабочей камеры.

Для определения степени твердости абразивного инструмента в пределах Ml—СМ2 применяется камера объемом 5 см², а для твер­дости СМ2—ЧТ2 — служит камера объемом 28 см². Величина твер-

дости определяется по средним арифметическим значениям глу­бин лунок: для шлифовальных кругов и сегментов — по четырем точкам, расположенным диаметрально друг против друга, а для брусков — по трем точкам. Как можно видеть из шкалы твердости (табл. 15), чем тверже абразивный инструмент, тем меньше размер глубины лунки, и чем мельче его зернистость, тем больше глубина лунки для той же твердости. Чем мягче абразивный инструмент, тем больше пределы допускаемых значений глубины лунок одной и той же твердости. Для наиболее распространенных твердостей абразивных инструментов СМ1—С2 эти пределы равны 15—20%.

Таким образом, определение твердости этим методом построено на принципе многочисленных ударов зерен песка в группу абразив­ных зерен и в связку, вследствие чего связь между ними нарушается и они выкрашиваются и выламываются из тела абразивного ин­струмента. Этим объясняется, что при определении твердости мел­козернистых абразивных инструментов глубина лунки получается больше, чем у крупнозернистых. В этом случае на единицу глу­бины лунки затрачивается меньше работы, т. е. для выламывания мелкого зерна нужно затратить меньше силы, чем для крупного зерна.

При определении твердости электрокорундовых абразивных инструментов таким способом зерна почти не измельчаются, а вы­падают целиком, в то время как при испытании твердости абразив­ных инструментов из карбида кремния зерна в значительной сте­пені! измельчаются, что говорит о большей их хрупкости. Из табл. 15 видно, какое влияние оказывает измельчение зерна при прессовании и особенно при вальцевании на изменение твердости.

В процессе шлифования абразивные зерна испытывают удары о шлифуемый материал. Кроме того, в процессе шлифования зерна как бы раздавливаются силами сжатия. Таким образом, условия шлифования отличаются от условий испытания абразивных ин­струментов пескоструйным методом.

Определение твердости абразивных инструментов на керами­ческой и бакелитовой связках зернистостью № 12—Ml4 произво­дится измерением глубины лунки, образуемой прибором Роквелла путем вдавливания стального шарика (диаметром ^х/₄" и ^х/₈") под действием нагрузки в 60 кГ, на чисто обработанной поверх­ности, не имеющей следов грубой обработки. Значения твердости для мягких инструментов имеют весьма большие пределы (табл. 16). Чем тверже подвергаемые испытанию инструменты, тем уже пре­делы этих значений.

Таким образом, при испытании твердости воздействию прибора подвергается незначительная часть поверхности круга и на не­большую глубину, поэтому измерения производят в трех-четырех точках, чтобы определить твердость более правильно.

Определение твердости брусков зернистостью № 4—М14 про­изводится на приборе Супер—Роквелл путем вдавливания сталь­ного шарика диаметром 3 мм при окончательной нагрузке при­бора 30 кГ по следующей шкале:

Шкала твердости . Ml                       М2            М3          СМ1 СМ2                   Cl            С2

Показания прибора 1,57—1,43 1,42—1,29 1.28—1,17 1,16—1,05 1,04—0,93 0,92—0,77 0,76—0.66

Таким образом, способ вдавливания построен на принципе раз­рушения зерен и связей между ними в результате приложения сил сжатия под определенным давлением.

Этот метод также далек от фактических условий работы абра­зивных инструментов. Он дает более повторяющиеся результаты

при определении твердости абразивных инструментов зернистостью мельче № 4 и то только при частой смене и поворотах шарика. Для зернистостей № 12—5 этот способ дает менее сходные резуль­таты. Поэтому устанавливается возможность применения для опре­деления твердости кругов этих зернистостей пескоструйного метода.

Определение твердости абразивного инструмента на вулкани- товой связке производится на разработанном во ВНИИАШе инж. А. М. Карташевым приборе ТКН методом вдавливания ко­нуса с вершиной из твердого сплава ВК6А, с углом при вершине 60° ± 1° и радиусом округления г = 0,04-г0,05 мм. Допускается износ вершины конуса до г = 0,1 мм. Нагрузка дается в два при­ема: предварительная 10 кГ и окончательная 60 кГ.

При шлифовании круги на вулканитовой связке несколько на­греваются и зерна круга вследствие этого слегка вдавливаются в связующее вещество. Это явление вызвало идею нагревать ин­струмент, которым определяют твердость. При помощи прибора, построенного на этом принципе, разработана шкала для определе­ния твердости абразивных инструментов на вулканитовой связке зернистостью № 40—М14, приведенная ниже.

Шкала твердости........................... М                  СМ            С           CT             Т

Показания прибора свыше . . . 400—450 350—400 300—350 270 -300 240—270

Этот метод, хотя и больше приближается к условиям шлифо­вания, чем первый, однако также не воспроизводит их.

Таким образом, ни один из существующих и предлагаемых способов определения твердости не воспроизводит полностью условия, при которых фактически работают абразивные инстру-

менты в процессе шлифования, и поэтому определяемые этими спо­собами показатели твердости являются, до известной степени, условными. Недостатком этих способов и приборов является также то, что каждый из них дает значительную погрешность определе­ния, в связи с чем ГОСТом 3751—47 указывается, что при парал­лельных определениях твердости абразивных инструментов допу­скается отклонение результатов на одну степень твердости.

Встречающиеся в литературе данные о том, что твердость абра­зивных инструментов понижается под воздействием охлаждающей жидкости, верны только для абразивных инструментов на бакели­товой связке и неправильны для инструментов на керамической и вулканитовой связках. Эти утверждения исходят из неправиль­ного понимания разных показаний твердости на мокрых и сухих абразивных инструментах. Дело в том, что при испытании шлифо­вального круга в мокром состоянии глубина лунки, получаемая от воздействия струи песка, увеличивается в связи с увеличением величины трения между песком и покрытыми пленкой жидкости абразивными зернами и связкой. Глубина лунки у этого же круга после его высушивания снижается до первоначальной величины, которую он имел при испытании в сухом состоянии. Проводимые опыты показали, что твердость абразивных инструментов на ке­рамической и вулканитовой связках остается неизменной и не зависит от времени нахождения их под воздействием применяемой при шлифовании охлаждающей жидкости.