АБРАЗИВНО-АЛМАЗНАЯ ОБРАБОТКА

АБРАЗИВНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Большая разница между твердостью абразивных и обрабаты­ваемых ими материалов, а также высокие скорости работы абра­зивных и алмазных инструментов обеспечивают им хорошую ре­жущую способность. Абразивную способность абразивного и ал­мазного инструмента следует отличать от абразивной способности абразивных материалов и не смешивать эти два понятия. Хотя по абразивной способности карбид кремния превосходит электро­корунд, это не значит, что абразивный инструмент из карбида кремния обладает большей режущей способностью, чем инстру­мент из электрокорунда. Абразивная способность одного и того же абразивного или алмазного инструмента, работающего в разных условиях, будет различна. Под абразивной способностью абра­зивного инструмента понимается его способность обрабатывать тот или другой материал за период между двумя правками. Чем больше снимает данный абразивный инструмент стружки в еди­ницу времени и чем длительнее он работает без правки, тем выше его абразивная способность. Таким образом, абразивная способ­ность оценивается съемом металла, стойкостью и износом круга.

На абразивную способность абразивных и алмазных инстру­ментов влияют все факторы шлифования, от которых и зависит успешность их работы. Так, при обработке материалов с высоким сопротивлением разрыву, к которым принадлежат стали всех марок, электрокорундовые инструменты показывают большую абразивную способность, чем инструменты из карбида кремния, которые наиболее пригодны для обработки металлов с низким соп­ротивлением разрыву (медь, бронза, чугун, алюминий, цинк и т. п.).

Алмазные инструменты имеют большую абразивную способ­ность при обработке хрупких и высокотвердых материалов и сплавов (твердые сплавы, керамика, германий, кремний и т. п.), чем при обработке сталей. Не в меньшей степени на абразивную способность влияет режим шлифования и другие факторы.

Абразивные инструменты различной характеристики имеют и разную абразивную способность.

Абразивные и алмазные инструменты испытывают на тех стан­ках, на которых они работают, и при этом определяют износ круга, производительность в единицу времени, удельный износ и удель­ную производительность. Под удельной производительностью понимают отношение веса или объема сошлифованного металла к весу или объему израсходованной части круга за период стой­кости между двумя правками, т. е. абразивную способность при шлифовании.

СВОЙСТВА СВЯЗОК

В зависимости от вида и состава связки, на которой изготовлен абразивный инструмент, он имеет различные свойства и по-разному ведет себя в работе. Технология изготовления абразивных инстру­ментов также зависит от вида связки.

Наиболее широкое применение получили абразивные инстру­менты на керамической связке, обладающие рядом преимуществ перед инструментами на других связках. На этой связке произ­водится более 50% всех абразивных инструментов. Керамическая связка, помимо высокой прочности, придает абразивным инстру­ментам высокую теплостойкость, большую жесткость, значитель­ную химическую стойкость и водостойкость. Эти свойства позво­ляют применять абразивный инструмент на керамической связке для разнообразных шлифовальных работ при скоростях до 50 м/сек, больших подачах и глубинах резания, с любым видом охлаждаю­щей жидкости и работе без охлаждения, для обдирочных и самых точных работ, т. е. придают ему известную универсальность. Керамическая связка позволяет изготовлять абразивный инстру­мент любой степени зернистости, всех твердостей и различных структур, любых диаметров и толщин, за исключением очень тон­ких при больших диаметрах.

При установлении состава керамической связки следует стре­миться к тому, чтобы ее коэффициент линейного расширения был равен или несколько меньше коэффициента линейного расширения абразивного зерна, из которого изготовлен абразивный инстру­мент. Увеличение коэффициента линейного расширения, как это имеет место, например, при повышенном содержании в связке окиси алюминия, вызывает рост модуля упругости и напряжений, возникающих в процессе термической обработки, и отсюда воз­можность снижения прочности абразивного инструмента. Поэтому выбирают такие керамические связки, которые имеют меньший модуль упругости и наиболее высокое сопротивление удару. Например, для резьбошлифовальных кругов из белого электро­корунда применяют боросодержащую связку 516, имеющую модуль упругости 3,46.

Коэффициент линейного расширения применяемой в произ­водстве керамической связки при конечной температуре обжига близок к коэффициенту линейного расширения электрокорунда (5-10~°—8-10^_6), а ее плотность 2,3—2,6 г/см³ близка к объем­ному весу абразивного инструмента (1,9—2,6 г/см³). Керамиче­ская связка при температуре обжига обладает способностью всту­пать в реакцию с электрокорундовым зерном, в результате чего в ней увеличивается содержание окиси алюминия и прочность ее сцепления с ним, а следовательно, и прочность абразивного ин­струмента. Вообще качество керамической и любой другой связки определяется в первую очередь прочностью ее сцепления. Чем выше прочность сцепления, тем лучше связка, тем меньше ее надо применять для достижения той же степени твердости, тем эффек­тивнее работа абразивного инструмента.

Однако не все керамические связки обладают в равной степени этими свойствами. Связки, содержащие борный ангидрид, имеют более низкий коэффициент линейного расширения, обладают по­вышенной реакционной способностью с абразивным зерном и создают более прочные сцепления, в результате чего шлифоваль­ные круги, изготовленные на боросодержащих связках, имеют зна­чительно более высокую стойкость и механическую прочность и потому рекомендуются для скоростного шлифования.

Связки с повышенным содержанием окиси кальция, наоборот, снижают, механическую прочность и работоспособность абразив­ных инструментов, изготовленных на них. Также снижается ме­ханическая прочность у тех связок, у которых в зоне контакта с зерном образуются кристаллы мулита, шпипеля и рутила. Растворение связки титана, содержащегося в электрокорунде, приводит к ухудшению абразивных инструментов из титанистого электрокор унда.

Вместе с тем керамическая связка придает абразивному ин­струменту повышенную, по сравнению с инструментом на других связках, хрупкость. Поэтому при работах, где возникают изги­бающие силы и абразивный инструмент подвергается ударному воздействию, применяют инструменты на бакелитовой и вулка- нитовой связках.

Керамическая и все другие виды связок плохо сцепляются с запыленными и загрязненными зернами, а также с зернами, имеющими поверхность высокого класса чистоты, что особенно относится к зернам карбида кремния. Особенно плохую адгезию с карбидом кремния имеют спекающиеся связки, на которых изготовляются абразивные инструменты из этого зерна, во избе­жание брака при термической обработке, который имеет место при применении плавящихся связок.

Таким образом, состав керамической связки влияет на работу абразивных инструментов. Поэтому для разных работ и шлифуе­мых материалов изготовляют абразивные инструменты на связках разных составов. Так, например, для шлифования шеек колен­чатых валов наилучшими оказались круги на боросодержащнх связках.

Бакелитовая связка, на которой выпускается более 40% всех абразивных инструментов, имеет более высокую прочность, чем керамическая, особенно при работе на сжатие, и большую упру­гость, вследствие чего круги обладают некоторой способностью гасить вибрации и удары, возникающие при шлифовании не вполне круглых и нежестких деталей (например, колец подшипников).

Шлифовальные круги, изготовленные на пульвербакелитовой связке, обладают повышенной прочностью по сравнению с кругами на жидком бакелите, причем прочность шлифовальных кругов из карбида кремния, изготовленных на пульвербакелите, выше на 15—20%, а электрокорундовых кругов на 5—10%, чем на жидком бакелите. Также повышается прочность и стойкость бакелитовых кругов при введении в их состав криолита. Такие круги приме­няются для зачистных и обдирочных работ.

На бакелитовой связке так же, как и на керамической, могут быть изготовлены абразивные инструменты всех форм и размеров (даже толщиной до 1 мм), применяемые для прорезных и отрезных работ.

Вместе с тем бакелитовая связка обладает невысокой тепло­стойкостью, выгорая при длительном нагреве при температуре 250—300° С. При температуре 200° С и выше бакелитовая связка приобретает хрупкость. Химически она недостаточно стойка. При охлаждении жидкостью, содержащей свыше 1,5% щелочей, абразивные инструменты на бакелитовой связке несколько теряют твердость и прочность. Потеря прочности тем больше, чем больше в жидкости щелочей, выше температура при шлифовании, дли­тельнее время шлифования и мягче абразивный инструмент.

Абразивные инструменты на бакелитовой связке при шлифо­вании меньше нагревают детали. Введение в бакелитовые абра­зивные инструменты графита повышает их теплопроводность и способность шлифования с достижением большего класса чистоты поверхности. Такие круги применяют для окончательного шлифо­вания прокатных валков, шеек коленчатых валов, поршневых пальцев, мерительного инструмента и других деталей, достигая чистоты 10—12-го класса. Круги на бакелитовой связке обладают лучшей самозатачиваемостью и однородной твердостью, чем круги на керамической связке. При высокой температуре, возникающей, в частности, при шлифовании с большой глубиной, сила сцепления бакелитовой связки с зерном уменьшается и износ круга возрастает.

Недостаточной химической стойкостью бакелитовой связки иногда пользуются для уменьшения твердости круга. Для этого круг выдерживают некоторое время в содовом растворе охлаждаю­щей жидкости. Однако этот способ нельзя рекомендовать, так как теряется не только твердость, но и прочность.

Для повышения твердости и прочности бакелитовых и керами­ческих кругов применяют способ пропитки их в растворе бакелита. Чтобы предохранить бакелитовый круг от понижения твердости и прочности при работе с охлаждением, иногда применяют про­питку парафином или окраску лаком. В этих же целях для изго­товления кругов применяют водостойкий бакелит, в частности для кругов формы 1К, стойкость которых повышается в 1,5 раза и более.

Круги на бакелитовой связке обладают более высокими тепло­стойкостью и пределами прочности при растяжении и сжатии, чем круги на глифталевой связке и особенно круги на вулкани-' тобой связке. Изменение вида связки у абразивных инструментов приводит не только к изменению их технологии, но и порождает различия в их физико-механических свойствах. Круги на вулка- нитовой связке имеют прочность ниже, чем прочность самой связки, в связи с плохой адгезией зерна и каучука. Количество связки в них в 2—4 раза по объему больше, чем в кругах на кера­мической связке, вследствие чего они имеют высокую плотность. Их пористость равна 5—8%, тогда как пористость абразивных инструментов, изготовленных на керамической и бакелитовой связках, достигает 35—50%.

Вследствие того, что каучук является упругим материалом, абразивные инструменты на вулканитовой связке имеют большую упругость, эластичность и меньшую хрупкость. Чем тверже круг, тем больше его упругость и удельная производительность. Содер­жание зерна в единице объема и объемный вес примерно на 20— 30% больше, чем у керамических, и на 13—15% больше, чем у ба­келитовых абразивных инструментов. В результате абразивные инструменты на вулканитовой связке имеют большее число зерен на единице поверхности, что позволяет при работе ими, одновре­менно с высокой производительностью, получать более высокий класс чистоты поверхности (примерно на один класс). Но так как шлифовальные круги на вулканитовой связке имеют больший объемный вес, то они должны более тщательно балансироваться и выверяться перед установкой на станок. По этой же причине расход мощности на шлифование этими кругами выше, чем кру­гами на других связках. Стойкость и производительность кругов на вулканитовой связке повышается с увеличением их прочности и крупности зерна и снижается с увеличением количества связки.

Абразивные инструменты на вулканитовой связке могут быть изготовлены толщиной до 0,1 мм. Они успешно применяются при прорезных и отрезных работах и в случаях, когда надо получить высокий класс чистоты поверхности, в частности при обработке деталей подшипников. Они не теряют твердости и прочности под действием водных эмульсий и вместе с тем нестойки к керосину. Их связка имеет низкую теплостойкость (около 160—200° Q и поэтому при достижении в процессе шлифования высокой темпе­ратуры абразивные зерна несколько вдавливаются в связку, реза­ние ухудшается и круг начинает полировать обрабатываемую деталь. Такие случаи наблюдаются при тяжелых режимах шли­фования. Вообще же круги на вулканитовой связке, особенно прессованные, имеют лучшую самозатачиваемость, чем керами­ческие.

При длительном воздействии на круги с вулканитовой связкой масел (в качестве охлаждающей жидкости) сцепление зерен со связкой ослабляется и расход круга возрастает.

Силикатная связка применяется в производстве абразивных инструментов мягких степеней твердости. Круги на силикатной связке хорошо самозатачиваются, водо- и щелочестойки, не изме­няют твердости под воздействием охлаждающей жидкости, меньше нагреваются и нагревают шлифуемую деталь. По сравнению с ба­келитовыми кругами более стойки в работе и имеют большую удель­ную производительность; работать ими рекомендуется при ско­ростях резания 20—25 м/сек.

Круги на глифталевой связке имеют малую теплостойкость, что влечет за собой повышенный износ круга в условиях шлифо­вания с высокими температурами и при работе с вибрациями.

Состав связки и наполнителя оказывает большое влияние также на работу алмазных кругов в разных условиях и при различных режимах. Поэтому алмазные круги также, как и абразивные, изготовляют на органических, керамических и металлических связках разных составов. Следует отметить одно интересное свой­ство связок — уменьшение прочности с увеличением толщины их слоя; предел прочности слоя связки обратно пропорционален их толщине. Чем тоньше размол связки, тем равномернее ее рас­пределение в круге, тем больше прочность круга.

ЧИСЛО ЗЕРЕН

Число зерен, находящихся в абразивном и алмазном инстру­менте и на его режущей поверхности, определяет в значительной степени производительность процесса шлифования и качество получаемой поверхности. От количества одновременно режущих зерен и нагрузки на них зависит суммарная длина режущей кромки, количество выделяемой теплоты, а следовательно, стой­кость инструмента и его работа.

Число зерен в абразивном и алмазном инструменте зависит не только от его формы,__ размеров, номера зернистости и концен­трации, но и от вида абразивного материала, типа и качества связующего вещества, его твердости и структуры. Поэтому при определении числа зерен в абразивном и алмазном инструменте необходимо учитывать эти факторы и, кроме того, иметь в виду, что в каждом абразивном инструменте зерна располагаются на разной высоте от рабочей поверхности и друг от друга. Вследствие этого подсчитать точно число зерен невозможно, да этого и не тре­буется, так как в процессе шлифования количество режущих зерен и их конфигурация вследствие износа круга непрерывно изменяются. Для правильного представления явлений, происхо­дящих в процессе шлифования, достаточно приблизительного подсчета. Различные авторы приводят для определения коли­чества зерен разные формулы, но при этом большинство исходит из неверного предположения, что зерна имеют форму шара и рас­пределены в круге со строгой и определенной равномерностью. В действительности зерна имеют разнообразную неправильную форму, приближающуюся к пирамиде, призме, шару, конусу, клину и Другим формам и расположены беспорядочно. Поэтому автор определял число зерен путем вычисления их в единице веса и далее в единице объема. Фактическое определение содержания зерен в единице веса, классифицированных в соответствии с нор­мами ГОСТа 3647—59 с точностью —10%, показало, что в 1 г содержится следующее число зерен электрокорунда:

Зернистость №................... 125       100      80       50        40           25            16

Число зерен в 1 г в шт.       150 230 700 2300 6700 19 500 75 000

В 1 г карбида кремния содержится на 20—30% большее число зерен, чем в 1 г электрокорунда, вследствие того, что объемный вес карбида кремния (3,12—3,25) ниже объемного веса электрокорунда (3,9—4,0)! Вычисление произведено также с точностью ±10%.

Зернистость №................... 125       100      80       50        40           25    <      16

Число зерен в 1 г в шт. 200 350 1000 3000 7300 23 000 90000

Произведенный подсчет зерен показал, что в каждом после­дующем номере зернистости наиболее ходовых номеров 80—16 со цержится в 3—4 раза больше зерен, чем в предыдущем номере. Отсюда видно, какое большое значение имеет правильный выбор зернистости и как резко меняются условия работы абразивного инструмента в зависимости от степени его зернистости.

Число зерен, содержащихся в единице объема абразивного инструмента, изготовленного на одной и той же связке, зависит от степени его зернистости, твердости и структуры. Объемный вес, а следовательно, и число зерен увеличивается с возрастанием степени плотности и твердости. Чем крупнее зерна, тем выше объемный вес и тем меньшее число зерен содержится в единице объемного веса. Объемные веса наиболее распространенного абра­зивного инструмента из электрокорунда на керамической связке зернистости № 80—16, твердости СМ—СТ колеблются в пределах 2,05—2,5 еісм³.

Абразивные инструменты на бакелитовой связке из жидкого бакелита имеют почти такой же объемный вес, как и керамиче­ские. При применении в качестве связки порошкообразного баке­лита объемный вес абразивных инструментов и количество зерна в них несколько меньше, чем при жидком бакелите. Средний объем­ный вес абразивного инструмента на керамической связке можно принять 2,25 (5-я структура, твердость СМ2, зернистость 40). Учитывая, что в абразивном инструменте содержится в зависи­мости от твердости и структуры тот или другой объем связки, обозначим коэффициент, учитывающий количество связки в абра­зивном инструменте, через k.

Обычно в большинстве случаев количество связки составляет 10—20% веса абразивного инструмента, т. е. k = 0,9-н0,8.

Средневзвешенные размеры

зерен в поперечнике в мм               1,24  0,94      0,79   0,56     0,4    0,254 0,156

Подсчет показывает, что на режущей поверхности круга ука­занных выше размеров и характеристики находится около 500 тыс. зерен. На 1 мм³ режущей поверхности данного круга зернистости № 25 в слое, равном размеру зерна в поперечнике, находится

• зерен. По данным Джона Геста, на 1 мм³ поверхности электро- корундового круга зернистости № 25 находится 2,48 зерна. Под­счет числа зерен по формуле Н. И. Волского дает для этой зер­нистости 19 зерен на 1 мм³ и подсчет по формуле П. Е. Дьяченко —
• зерен. Ниже приводится подсчитанное автором число зерен, находящихся на 1 мм³ поверхности электрокорундового круга на керамической связке, имеющего объемный вес 2,25 и около 10% связки.

№ зернистости............................. 125     100        80       50         40         25          16

Число зерен ........         0,37   0,44       1,11    2,57      5,3        9,9     23,4

Таким образом, шлифование осуществляется значительным числом зерен, особенно при применении мелкозернистых кругов и при большой площади соприкосновения абразивного инструмента с обрабатываемой деталью, даже если принять, что число рабо­тающих зерен равно 10—12%, как указывает С. Г. Редько.

Число зерен на 1 мм⁸ поверхности абразивного инструмента, изготовленного из микропорошков М40, около 800, из микропо­рошков М20—3300, а из микропорошков М10 — 13 500. Число зерен, приходящихся на единицу рабочей поверхности алмазного круга, значительно меньше, чем у абразивного круга. Вместе с тем число зерен на единице поверхности алмазного круга из синте­тических алмазов больше, чем у кругов из природных алмазов (при одинаковой концентрации и крупности зерен перед формова­нием), вследствие большей хрупкости синтетических алмазов и большего их измельчения в процессе формования круга. Расстоя- 104

ние между зернами у кругов из синтетических алмазов меньше, чем у кругов из природных алмазов. Эти условия а также конфи­гурация зерен обеспечивают при работе кругами из синтетических алмазов большую производительность и меньшую шероховатость поверхности.

Средневзвешенные размеры алмазных зерен в поперечнике, классифицированных согласно ГОСТу 9206—59, приведены ниже.

№ зернистости алмаз­ных зерен ....        А40    А32     А25    А20     А16      А12         А10         А8

Размеры зерен в мк           426   342     269      215     162      130     106      85

Таким образом, в алмазных кругах средневзвешенные раз­меры зерен несколько больше, чем в абразивных, в результате того, что зерен основной ’фракции в алмазном круге больше на

• 15%, что и определяет, с учетом меньших радиусов округле­ний вершин зерен, меньшую шероховатость поверхности. Число алмазных зерен в единице веса алмазного порошка каждого после­дующего номера зернистости в 2 раза больше.