Особенности резания при абразивной обработке.

Абразивные инструменты изготовляются в виде шлифовальных кругов различного профиля и размеров, брусков, пластин, шкурки. Абразивы используют также в виде порошков и паст. При изготовлении кругов абразивные материалы имеют вид зерен. Они должны обладать высокой твердостью, иметь хорошую теплоустойчивость, а при своем затуплении хорошо дробиться и образовывать новые острые лезвия. Все абразивные материалы делятся на две группы: естественные и искусственные. Естественные материалы широкого применения не получили из-за низких режущих свойств. Из искусственных абразивных материалов наиболее широкое распространение получили: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетический алмаз, кубический нитрид бора (КНБ).

Электрокорунд представляет кристаллическую окись алюминия Аl₂O₃, являющуюся очищенным продуктом плавки глинозема (бокситов). Различают несколько видов электрокорунда: нормальный, белый, хромистый, титанистый и монокорунд. Наибольшее применение получил электрокорунд нормальный. Выпускается он нескольких марок: 16А, 15А, 14А, 13А, 12А, Применяется электрокорунд нормальный при черновом, получистовом и чистовом шлифовании сталей и чугунов, а также для заточки режущего инструмента из инструментальной стали. Электрокорунд белый 25А, 24А, 23А. 22А превосходит по своим режущим свойствам электрокорунд нормальный, так как в нем содержится меньше примесей. Он применяется при шлифовании прочных и вязких сталей (незакаленных и закаленных), ковкого чугуна, заточки инструментов из быстрорежущей стали. Электрокорунд хромистый 34A, 33А, 32А получают при плавке в электропечах глинозема с добавлением хромистой руды. Зерна его имеют розовую окраску, содержание в нем Аl₂О₃ не менее 97%, СrО до 2%. Электрокорунд титанистый 37А получают при плавке в электропечах глинозема с добавлением соединений титана. Выплавленный материал подвергается дроблению и просеиванию и содержит Аl₂O₃ не менее 97, TiO₂ не менее 2%.

Постоянство физико-механических свойств и высокая вязкость зерен элсктрокорунда хромистого и титанистого создают предпосылки для использования их при напряженных режимах шлифования углеродистых и конструкционных сталей, а также для высокоточных работ и доводочных операций. Монокорунд 45А, 44А, 43А отличается высокой прочностью и более высокими режущими свойствами и содержит 97...98% Al₂O₃). Применяется для обработки весьма прочных сталей, ковкого чугуна, быстрорежущей стали. Карбид кремния представляет химическое соединение кремния с углеродом SiС. Он изготовляется путем спекания в электропечах кварцевого песка с углеродом в виде кокса и выпускается двух видов: черный 55С, 54С, 53С, 52С и зеленый 64С, 63С, 62С. В настоящее время для упрощения используют обозначения карбида кремния зеленого и черного 6С и 5С, электрокорунда белого 2А и т.д.

В черном карбиде кремния содержится 95...98, в зеленом – 98...99% SiС. Более качественным, но и дорогим является зеленый карбид кремния. Применяется он для заточки твердосплавного инструмента. Черный карбид кремния хрупок и применяется для обработки материалов с низким пределом прочности (чугуна, бронзы), вязких металлов и сплавов (мягкой латуни, алюминия, меди), а также для обработки таких неметаллических материалов, как кожа, стекло, мрамор и т.д. Карбид бора (В₄С) обладает высокой твердостью, но в два раза меньшей твердости алмаза. Используется для доводки твердосплавного инструмента, так как обеспечивает минимальный радиус округления режущего лезвия до 6…10 мкм (электрокорунд образует этот радиус до 15 мкм), а также при обработке весьма твердых материалов, например, рубина, корунда, кварца и т.д. Некоторые сведения о свойствах сверхтвердых абразивных материалов (алмаза и КНБ) приведены ранее в главе 2. В настоящее время выпускаются синтетические алмазы следующих марок: АС2 – алмаз синтетический обычной прочности, предназначенный для изготовления инструментов на органической связке, а также паст и порошков (в скобках указаны принятые ранее обозначения); АС4 – алмаз синтетический повышенной прочности, применяемый для изготовления инструмента на керамической и металлической связках; АС6 – алмаз синтетический высокой прочности, предназначенный для изготовления инструментов на металлической связке, работающих при больших удельных нагрузках, характерных для черновых операций; АС15 – алмаз синтетический кристаллический с прочностью, близкой к прочности природных алмазов.

Наряду с монокристалличсскими алмазными зернами выпускаются поликристаллические, которые обозначаются АР. Выпускаются также алмазные микропорошки марок АСМ, АМ, АСН, АН. Буква С в данном случае обозначает «синтетический». Первые марки предназначены для притирочных и доводочных работ при обработке твердых сплавов и сталей. Микропорошки марок АН, АСН обладают повышенной абразивной способностью и применяются при обработке наиболее твердых материалов, таких как алмаз, рубин и т. д. Отрицательным свойством алмаза является то, что при обработке материалов на железной основе при температуре около 850...900°С наблюдается активная диффузия углерода из алмаза в железо, что резко повышает изнашивание алмазного инструмента. Исключение составляет кубический нитрид бора (КНБ или эльбор), зерна которого при одинаковой примерно твердости с алмазом обладают значительно большей теплостойкостью (до 1500...1900°С) и отсутствием химического сродства к железу. Эльбор выпускается двух марок: ЛО – обычной механической прочности, с обычным содержанием основной фракции; ЛП – повышенной механической прочности, с повышенным содержанием основной фракции. Под зернистостью абразивных материалов понимают размеры их зерен. По своим размерам (крупности) они делятся ни номерам: 200, 160, 125, 100, 80. 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16, 12, 10. 8, 6, 5, 4, 3, М63, М50, М40, М28, М20, М14, М10, М7, М5. По размерам зерна абразивные материалы делятся на следующие группы: шлифзерно – 200, 160, 125, 100, 80, 63. 50, 40, 32, 25, 20, 16; шлифпорошки – 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3; микропорошки – М63, М50, М40, М28, М20, М14; тонкие микропорошки – М10, М7, М5. Зернистость шлифзерна и шлифпорошка определяется размером стороны ячейки контрольного сита (в сотых долях миллиметра).

Связка служит для скрепления отдельных абразивных зерен в единое тело (ГОСТ 21445-84). От нее в большой степени зависит прочность удержания зерен в шлифовальном круге. Различаются два вида связок: органические и неорганические. К неорганическим относятся керамическая, магнезиальная и силикатная. Керамическая связка (К) получила наиболее широкое применение. Состоит она из каолина, огнеупорной глины, талька, жидкого стекла, полевого шпата, кварца. Она обладает большой теплостойкостью, водоупорностью, высокой химической стойкостью, обеспечивает высокую производительность и хорошо сохраняет профиль круга. Однако она чувствительна к ударам и изгибающим нагрузкам. Допускаемая скорость шлифования кругом па керамической связке v_к = 30...50 м/с. В настоящее время выпускается несколько разновидностей керамической связки. Магнезиальная связка (М) представляет смесь каустического магнезита и раствора хлористого магния, твердеющую на воздухе, – магнезиальный цемент. Шлифовальные круги на этой связке гигроскопичны и должны храниться в сухом проветриваемом помещении. Круги быстро изнашиваются и теряют профиль, скорость шлифования ими не более 20 м/с, но работают с небольшим нагревом обрабатываемой поверхности. Силикатная связка (С) имеет основное связующее вещество – растворимое стекло (силикат натрия). Тепловое выделение при шлифовании такими кругами минимальное, а поэтому они применяются на таких операциях, где нагрев обрабатываемых деталей недопустим. Однако прочность этой связки намного ниже, чем керамической, и круги размягчаются от охлаждающей жидкости. Шлифование – это процесс резания металлов, осуществляемый зернами абразивного, алмазного или эльборового материалов. Шлифованием можно практически обрабатывать любые материалы, так как твердость зерен абразива (2200...3100 НВ) и алмаза (7000 НВ) очень велика. Для сравнения отметим, что твердость твердого сплава 1300 НВ, цементита 2000 НВ, закаленной стали 600...700 НВ. Зерна абразива скрепляются связкой в инструменты различной формы или наносятся на ткань (абразивные шкурки). Шлифование применяется чаще всего как отделочная операция и позволяет получать детали 7…9-го и даже 6-го квалитетов с шероховатостью Ra = 0,63...0,16 мкм и менее. В некоторых случаях шлифование применяется при обдирке отливок и поковок, при зачистке сварных швов, т.е. как подготовительная или черновая операция. В настоящее время применяется глубинное шлифование для съема больших припусков. Характерными особенностями процесса шлифования являются следующие: --1) многопроходность, способствующая эффективному исправлению погрешностей формы и размеров деталей, полученных после предшествующей обработки; --2) резание осуществляется большим количеством беспорядочно расположенных абразивных зерен, обладающих высокой микротвердостью (22...31 ГПа). Эти зерна, образующие прерывистый режущий контур, прорезают мельчайшие углубления, а объем металла, срезаемый в единицу времени, в этом случае значительно меньше, чем при резании металлическим инструментом. Одним абразивным зерном в единицу времени срезается примерно в 400 000 раз меньший объем металла, чем одним зубом фрезы; --3) процесс срезания стружки отдельным абразивным зерном осуществляется на высоких скоростях резания (30...70 м/с) и за очень короткий промежуток времени (в течение тысячных и стотысячных долей секунды); --4) абразивные зерна расположены в теле круга хаотически. Они являются многогранниками неправильной формы и имеют округленные радиусом  вершины (рис. 10.2), Округление это невелико (обычно  = 8...20 мкм), но его всегда надо учитывать, так как при микрорезании толщины слоев, снимаемых отдельными зернами, соизмеримы с .

Основными, наиболее часто встречающимися в современном машиностроении способами шлифования являются: 1) наружное круглое (с продольной, или осевой подачей; с поперечной подачей; бесцентровое); 2) внутреннее (при вращающейся детали с продольной и поперечной подачами; бесцентровое; при неподвижной детали – планетарное); 3) плоское (периферией; торцом круга); 4) специальное (резьбовое, фасонное и т.д.). Процесс шлифования обычно осуществляется посредством трех движений: вращения шлифовального круга, вращения или перемещения (кругового или возвратно-поступательного) детали и движения подачи, осуществляемого кругом или обрабатываемой деталью. Некоторые из указанных движений могут отсутствовать, например, возвратно-поступательное движение детали или круга при врезном шлифовании, однако вращение шлифовального круга является неотъемлемым условием процесса шлифования. Снятие стружки в процессе шлифования происходит при одновременном врезании в шлифуемую деталь нескольких зерен, находящихся в данный момент в месте контакта абразивного инструмента с деталью. В связи с тем, что зерна в круге расположены на разной высоте, сначала в металл врезаются кромки выступающих зерен и затем – лежащие глубже от поверхности. Врезаясь в металл, кромка зерна сначала его сдавливает, и если сила сжатия превосходит силу сопротивления металла, происходит отделение стружки. Очень многие зерна при этом, скользя по металлу, уплотняют его поверхность, в результате чего последующим зернам приходится совершать большую работу для снятия стружки. Каждое зерно при шлифовании срезает стружку переменной толщины: совсем малой при врезании и выходе из контакта и большей в середине процесса врезания, т.е. оно испытывает переменные напряжения, постепенно возрастающие, а затем падающие. Таким образом, процесс образования стружки сопровождается упругими и пластическими деформациями, в результате которых имеет место изменение формы и свойств снимаемого металла и поверхностного слоя. Вследствие этого получаемые в процессе шлифования стружки деформированы в различной степени. Много стружек образовано при большом угле сдвига и слабо деформированы, многие вследствие высокой температуры не имеют классической формы и почти все имеют различную толщину и ширину – от десятых долей микрометра до десятых долей миллиметра.

В тех случаях, когда зерна имеют острые кромки, небольшие радиусы округлений и оптимальные углы, наблюдается микрорезание металла. При этом получаемая стружка часто имеет такой же вид, как сливная стружка при точении незакаленной стали с высокой скоростью резания. Такую стружку чаще всего можно наблюдать при шлифовании кругами из монокорунда и карбида кремния. Если зерна имеют тупые кромки, большие радиусы округления и невыгодно ориентированы относительно обрабатываемой поверхности, то происходит ее скобление, причем образование стружки сопровождается в этих случаях резким повышением температуры и формируемая стружка целиком или частично сгорает. Чем больше радиусы округлений режущих кромок зерен, тем труднее они врезаются в снимаемый слой металла, большее трение, сильнее деформации стружки (коэффициенты деформации K  5), выше температура резания. Чем меньше радиусы округления зерен, тем меньше может быть толщина снимаемой стружки. Вершины зерен круга всегда имеют различное радиальное расположение относительно некоторого идеального диска, что обеспечивает различную нагрузку на отдельные шлифующие зерна в процессе шлифования. Возможен случай, когда стружку снимают одновременно несколько режущих элементов данного шлифующего зерна.