5.5.1. Понятие об абразивном инструменте. Характеристики абразивного инструмента

Шлифование представляет собой операцию обработки поверхности заготовки абразивным инструментом.

Под абразивными понимаются материалы естественного или ис­кусственного происхождения, зерна которых обладают высокой твер­достью и способностью резания. Абразивные инструменты могут быть изготовлены со связанными зернами (шлифовальные круги, го­ловки, сегменты, бруски, шкурки) и в виде несвязанных, свободных зерен (пасты, суспензии, порошки). Абразивные инструменты харак­теризуются материалом зерен и их величиной, видом связки, твердо­стью, структурой, формой и размерами.

Алмазные круги и бруски дополнительно характеризуются кон­струкцией и маркой алмазов.

Абразивные материалы и инструменты. Абразивные материалы делятся на искусственные (синтетиче­ские) и естественные (природные). Более широкое применение в промышленности в настоящее время имеют искусственные абразив­ные материалы: электрокорунд, карбид кремния (карборунд), карбид бора, синтетические алмазы, кубический нитрид бора (эльбор).

Связующие вещества (связки): неорганические (керамическая, магнезиальная и силикатная); органические (бакелитовая, глифталиевая, вулканитовая); металлические (порошки меди, алюминия, олова и др.).

Электрокорунд (А1₂О₃). Большая часть (~ 80 %) абразивного инструмента изготавливается из электрокорунда, который получают путем плавки глинозема в электрических печах. Существует несколько разновидностей электрокорунда:

– Э – электрокорунд нормальный (91…99 % А1₂О₃) (марки: 16А, 15А, 14А, 13А, 12А);

– ЭБ – электрокорунд белый (97…99 % А1₂О₃) (марки: 25А, 24А, 23А, 22А);

– ЭХ – электрокорунд хромистый (марки: 34А, 33А, 32А);

– ЭТ – электрокорунд титанистый – 37А (содержит  97 % А1₂О₃ и 2 % ТiO₂);

– М – монокорунд, зерна которого представляют отдельные кри­сталлы и имеют большое число режущих граней (марки: 45А, 44А).

Титанистый электрокорунд представляет собой соединения А1₂О₃ + 1,5 % ТiO₂, отличается от нормального электрокорунда большей вязкостью и стабильностью свойств, что хорошо для доводочно-притирочных работ.

Монокорунд – разновидность электрокорунда. Он получается из боксита оксисульфидным способом в виде зерен, состоящих из изометрических кристаллов корунда различной величины. Сущность способа получения монокорунда состоит в сплавлении боксита с сер­нистым железом и восстановителем – антрацитом или коксом – в электропечах.

Зерна электрокорунда ЭХ, ЭТ и М имеют более высокие режущие свойства, чем Э и ЭБ.

Карбид кремния (SiС) – химическое соединение кремния с углеродом, получается при плавке кварцевого песка и кокса. Зерна SiС имеют более высокую твердость, чем электрокорунд. Применяются две разновидности карбида кремния: черный КЧ (95…97 % SiС) марок 55С, 54С, 53С, 52С и зеленый КЗ (98…99 % SiС) марок 64С, 63С, 62С. Недостаток карбида кремния – высокая хрупкость и малая прочность. Поэтому при обработке сталей он почти не применяется. Карбид кремния применяется при абразивной обработке хрупких материалов: чугунов, бронзы; тугоплавких сплавов, металло- и минералокерамики.

Карбид бора (В₄С) – химическое соединение бора с углеро­- дом – получают плавлением борной кислоты В₂О₂ с нефтяным коксом при температуре 2000...2350 °С. Карбид бора имеет высокую твердость, большую хрупкость и применяется в виде порошков для доводочных процессов и при ультразвуковой обработке хрупких материалов.

Борсиликарбид в отличие от карбида бора не содержит вредной примеси графита, отличается большей стабильностью свойств, более прочен и дешевле. На операциях доводки показал на 30…40 % более высокую производительность, чем карбид бора.

Окись хрома – порошок темно-зеленого цвета для доводки. Получается из бихромата калия с примесью серы.

Окись железа (крокус) – тонкий полировальный порошок, со­стоящий в основном из кристаллической окиси железа. Получается переработкой железного купороса и щавелевой кислоты.

Синтетические алмазы (АС) получают в виде мелких кристаллов, размеры обычно не более 1 мм. Синтез алмазов происходит в результате воздействия на графит высоких давлений (до 1,7·10 кгс/см²) и высоких температур (до 2500 °С). В присутствии металлического катализатора происходит перекристаллизация углерода из гексагональной структуры графита в кубическую структуру алмаза. Синтетические алмазы в зависимости от прочности делятся на пять марок: низ­кой прочности (АСО), повышенной прочности (АСР), высокой прочности (АСВ), монокристальные (АСК и АСС).

Кубический нитрид бора (КНБ, боразон или эльбор) состоит из 44 % бора и 56 % азота; твердость его уступает лишь алмазу, а теплостойкость в 2 раза выше алмаза. Круги из эльбора наиболее эффективны при чистовом шлифовании, заточке и доводке инструментов из быстрорежущих сталей повышенной производительности (кобальтовых и высокованадиевых).

К естественным материалам относятся кварц (кремнезем SiО₂), наждак, корунд и алмаз. Природные абразивные материалы, за исключением алмаза, имеют низкие режущие свойства и для абразивной обработки металлов почти не применяются.

Природный алмаз А – минерал, состоящий из кристаллического углерода. Природные технические алмазы содержат небольшие примеси окислов алюминия, железа, кальция, кремния, марганца, которые придают им различный цвет. Атомы углерода в кристаллической решетке алмаза очень прочно связаны, что обеспечивает высокую твердость и износостойкость. Твердость алмаза по шкале Мооса равна 10, микротвердость – 10 060 кгс/мм², модуль упругости 9·10⁴ кгс/см², плотность 3,52 г/см³.

Недостатки алмазов: высокая хрупкость, большая способность к адгезии с титаном, сталью и другими металлами, сравнительно низкая теплостойкость (800…900 °С). Натуральные технические алмазы применяются для изготовления алмазных резцов, наконечников к приборам, фильер для волочения, для правки шлифовальных кругов.

Зернистость абразивных материалов. Абразивные материалы подвергаются дроблению, обогащению и классификации на зернистость. Согласно ГОСТ 3647–71 по размерам они делятся на три группы: шлифовальные зерна от № 200 до 16 (зерна основной фракции размером от 2000 до 160 мкм); шлифовальные порошки от № 12 до 3 (зерна от 125 до 28 мкм); микропорошки от М40 до М5 (зерна от 40 до 3 мкм).

Сортировка зерен от № 200 до 3 производится просеиванием через сита, и зернистость определяется размером стороны ячейки сита (в сотых долях мм). Например, зерно № 16 просеивается через сито с размером ячейки 0,16 мм и остается на сите с размером ячейки 0,12 мм. Размеры зерен микропорошков определяются микроскопическим методом измерения или фотоэлектрическим – по скорости осаждения зерен.

Алмазные зерна (по ГОСТ 9204–70) делятся на две группы: шлифпорошки, получаемые путем рассева на ситах с контролем зернистости ситовым методом (12 зернистостей от 630/500 до 50/40); микропорошки, полученные путем классификации в жидкости и кон­тролем размера зерен под микроскопом (11 зернистостей от 60/40 до 1/0). Зернистость алмазов обозначается дробно: числитель соот­ветствует наибольшему, а знаменатель – наименьшему размеру зерен основной фракции.

В нашей стране освоено промышленное производство алмазных субмикропорошков, т.е. порошков с размером зерен 0,7; 0,5; 0,3 и 0,1 мкм. При помощи паст на основе субмикропорошков получают ми­нимальную высоту неровностей и незначительную толщину дефект­ного слоя.

В качестве связки абразивных зерен применяют следующие: не­органические, органические и металлические.

К неорганическим связкам относятся керамическая, магнезиаль­ная и силикатная. Наиболее распространена керамическая связка К, из которой изготовляют более 50 % всего абразивного инструмента. В ее состав входят огнеупорная глина, полевой шпат, тальк и др. Инст­рументы, изготовленные на керамической связке, теплостойки, прочны, обладают химической стойкостью и не боятся влаги. Их недоста­ток – большая хрупкость.

Органические связки – бакелитовая Б, глифталиевая Г и вулканитовая В. Бакелитовая связка, наиболее распространенная среди органических связок, изготавливается из фенолформальдегидной смолы. Инстру­мент на бакелитовой связке прочен, эластичен и допускает большие окружные скорости. Однако его химическая и тепловая стойкости не­высоки. Глифталиевая связка состоит из глицерина и фталиевого ан­гидрида. Круги на глифталиевой связке имеют повышенную упру­гость и применяются на чистовых и доводочных работах. Вулканито­вая связка состоит из каучука и серы, обладает высокой прочностью и эластичностью. На вулканитовой связке можно изготовить очень тонкие круги (0,5 мм) с относительно большим диаметром (150 мм). Инструмент на этой связке применяется для отрезных и прорезных операций, а также при бесцентровом шли­фовании.

Металлические связки, состоящие из металлической основы (по­рошки меди и алюминия, олова и др.) и наполнителя, применяют в алмазных кругах и частично в кругах из карбида кремния для элек­троалмазного шлифования. Металлические связки МИ и МК на мед­ной основе имеют наполнитель – карбид кремния и электрокорунд; связка М5 – с основой из алюминия и меди; связка М1 – с основой из ме­ди и олова. Необходимо отметить, что металлические связки прочнее удерживают зерна и обеспечивают более эффективное использование режущих свойств алмазов, чем органические связки.

Под твердостью абразивного инструмента понимается сопротивляемость связки вырыванию абразивных зерен под действием внешних сил. В России установлено 7 классов твердости (М, СМ, С, СТ, Т, ВТ, ЧТ): мягкий – М1, М2, М3; среднемягкий – СМ1, СМ2; средний – С1, С2; средне-твердый – СТ1, СТ2; твердый – Т1, Т2; весьма твердый – ВТ1, ВТ2; чрезвычайно твердый – ЧТ1, ЧТ2.

При выборе твердости абразивных инструментов учитывают физико-механические свойства обрабатываемого материала, требования к точности и качеству поверхности.

Под структурой абразивного инструмента понимают процентное содержание объемов зерен v_з, связки v_с и пор v_п (v_з + v_с + v_п = = 100 %).

Различают четыре группы структур: плотные (№ 0–3), средне-плотные (№ 4–6), открытые (№ 7–12); высокопористые (№ 13–18). Нулевая структура имеет минимальное расстояние между зернами и наибольший их объем (v_з = 62 %). При повышении номера структуры на единицу объем абразивных зерен v_з уменьшается на 2 %. У высокопористых кругов объем пор v_п может достигать 75 % объема круга.

Выбор структуры абразивного инструмента зависит от его назначения, свойств обрабатываемого материала и других условий.

Под концентрацией алмазов понимают содержание алмазных зерен в единице объема алмазоносного слоя. За 100%-ную кон­центрацию алмазов принято содержание 0,878 мг алмазных зерен в 1 мм³ (или 4,39 карата в 1 см³) алмазоносного слоя. Алмазные инструменты изготавливают с концентрацией алмазов 25, 50, 100, 150 %.

Виды и классификация профилей шлифовальных кругов. ГОСТ 2424–83 регламентирует выпуск 14 профилей шлифовальных кругов диаметром 3...1600 мм, толщиной 6...250 мм. Наиболее характерные типовые формы шлифовальных кругов приведены в табл. 17, 18.

Маркировка шлифовальных кругов необходима для удобства их эксплуатации. Характеристики шлифовального круга нано­сятся на его торцовую поверхность. Например, абразивный круг типа 1, имеющий наружный диаметр 500 мм, высоту 50 мм, диа­метр посадочного отверстия 305 мм, материал абразива – белый электрокорунд марки 25А, зернистость 10-П, твердость С2, структуру № 7, керамическую связку марки К5, рабочую скорость 35 м/с, 1-й класс неуравновешенности, класс точности А, маркируется следую­щим образом: 1 50050305 25А 10-П С2 7 К5 35 м/с 1 клА.

Маркировка алмазных шлифовальных кругов производится сле­дующим образом. Указывается форма, основные размеры круга и ал­мазоносного слоя, зернистость, связка, концентрация и количество алмазов в круге (в каратах), а также наименование предприятия-изготовителя или его товарный знак, номер круга и год его изго­товления. Например, в круге 11А2 15010332 с характеристикой АС2 10 Б1 2 29 № 8–90 маркировка имеет следующие значения: 11А2 – алмаз­ный круг чашечный, конический; 150 – наружный диаметр круга, мм; 10 – зернистость алмазного порошка; Б1 – связка бакелитовая первая (с наполнителем из карбида бора); 2 – относительная концентрация алма­зов в алмазоносном слое, % (цифрами 1, 2, ..., 6 обоз­начается соответ­ственно 25, 50, 75, 100, 125 и 150%-ная кон-

Таблица 17

Типовые формы абразивных кругов

Вид кругов	Обо­значе­ния	Эскиз сечения инст­румента	Назначение
Плоские прямо­го профиля	1		Круглое наружное, внутреннее и бес­центровое шлифо­вание, плоское шли­фование периферией круга, резьбошлифование, заточка резцов
Диски	41		Отрезание, прорезание пазов
Чашки цилинд­рические	6		Плоское шлифова­ние торцом круга
Чашки кониче­ские	11		Заточка и доводка инструмента

центрация); 29 – содержа­ние алмазного порошка, карат; 8 – завод­ской

номер круга; 90 – год из­готовления круга.

Инструмент, изготовленный из эльбора, маркируется подобно алмазному. Например, маркировка 11А2 15010332 Л10 Б1 6 58 № 43–90 читается так: чашечный круг диаметром 150 мм с рабочим

Таблица 18

Типовые формы алмазных кругов

Вид кругов	Обозна­чения	Эскиз сечения инстру­мента	Назначение
Плоские прямого профиля	1А1		Обработка цилиндрических и плоских поверхностей на круглошлифовальных и плоскошлифовальных станках
Плоские с выточкой	6А2		Заточка и доводка резцов на заточных станках типа С-194
Чашечные конические	11А2		Заточка и доводка резцов, задних по­верхностей зенкеров, разверток сборных резцов на универсаль­но- заточных и специальных станках
Тарельчатые	12R9		Заточка и доводка многолезвийного инструмента по пе­редней поверхности

слоем высотой 10 мм и толщиной 3 мм, диаметр посадочного отвер­стия 32 мм, эльборовое зерно (Л), зер­нистость 10, связка Б1, концен­трация 150 %, количество эльбора в круге 58 каратов; 43 – заводской номер круга; 90 – год изго­товления круга. Концентрация 100 % в эльборовых кругах не указывается.