книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

В прошлом шлифование представляло собой процесс снятия с обрабатываемой детали тончайшего слоя при помощи абразивного инструмента естественного или синтетического происхождения. Этот процесс известен человечеству с незапамятных времен, когда техника находилась еще в самой примитивной стадии развития. Соскабливание твердыми камнями мельчайших частиц с обраба­ тываемой поверхности производилось вручную на крайне неслож­ ных приспособлениях, и требовалось большое искусство мастеров, чтобы получить необходимые формы, размеры и качество обрабо­ танных изделий.

Только лишь в X I X в., когда появились шлифовальные станки и синтетические абразивные материалы, обладающие высокими режущими свойствами, шлифование начало быстро развиваться. В настоящее время в связи с большим развитием машиностроения и применением высокопрочных труднообрабатываемых материалов, повышенными требованиями к точности и качеству изделий, абра­ зивная обработка распространяется стремительнее, чем любой другой технологический процесс. Этому значительно способствует пригодность абразивного инструмента не только для тонкой

до 30%, а в шарикоподшипниковой промышленности до 60% всего станочного парка. За последние 10 лет точность обработки воз­ росла в восемь—десять раз (до 0,1—0,2 мкм) при шероховатости 12—13-го классов чистоты [108].

Наряду с этим распространяется обдирочное шлифование при обработке тяжелых деталей весом до 125 т (диаметром до 3000 мм и длиной до 18 000 мм), когда снимается припуск до 6 мм и более на крупных шлифовальных станках мощностью до 250 кВт. С помощью комплекта цилиндрических шлифовальных кругов диаметром свыше 3000 мм съем металла доводился до 250—360 кг/ч (свыше 4 кг/ч на 1 мм длины круга).

Столь большая производительность достигается высокими скоростями круга (60—80м/с) и обрабатываемой детали (360 м/мин). Подобные форсированные режимы резания при обдирке были воз-

411

можны благодаря применению шлифовальных кругов, упрочнен­ ных стекловолокном или нейлоновой сеткой, а также кругов без отверстий (касательные напряжения, ответственные за разруше­ ние кругов, достигают наибольших значений на поверхности отверстия).

92.АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Значительно меньше в качестве абразивов применяются есте­

10060 кгс/мм2 , карбида бора 4000, карбида кремния 3500), но сго­ рает при 860° С. Встречается в виде небольших кристаллов весом от 0,005 карата до нескольких десятков каратов очень редко и

алмаза (А) почти вдвое больше чем у ВК8, почти в пять раз сравни­ тельно с Р18 и в 35 раз выше, чем у А 1 2 0 3 . Учитывая весьма низ­ кий коэффициент линейного расширения и высокую жесткость, алмазный лезвийный инструмент обеспечивает большую точность обработки.

образцах корунда ее содержится до 95%). Наряду с большой твер­ достью (—9 по Моосу), уступающей лишь алмазу и карбиду бора, корунд обладает и сравнительно большой вязкостью, что делает его одним из лучших естественных абразивных материалов. Цвет его различный: розовый, бурый, серый и др. Удельный вес в за­

лов. Лучшие образцы наждака содержат лишь 60% окиси алюми­ ния и потому уступают корунду по твердости (7,2—7,5 по шкале

412

Твердость кварца поМоосу равна 7. Такой же твердостью обладает и другая разновидность кварцевой породы — к р е м е н ь (Кр), содержащей не менее 96% окиси кремния S i 0 2 и имеющий не­ сколько более острые кромки, чем кварц.

Наждак, кварц и кремень применяются главным образом для изготовления небольших брусков — оселков для работы вручную или шлифовальных шкурок для кожевенной и деревообрабаты­

К искусственным абразивным материалам относятся синтети­ ческий алмаз (СА), выпускаемый в промышленном порядке в СССР

с 1962 г., электрокорунд (А12 03 ), карбид кремния SiC (старое название—карборунд), карбид бора (В4 С) и борсиликокарбид, боразон — кубический нитрид бора (КНБ, он же эльбор, кубанит) и др.

С и н т е т и ч е с к и е а л м а з ы (СА) в СССР производятся на ряде заводов. В 1962 г. синтетические алмазы составляли 8,4% (природные—91,6%) общего количества технических алмазов, а в 1967 г. употребление их возросло до 92,4%.

Синтетический алмаз получают из графита в специальных ка­ мерах при давлении около 100 ООО ат и температуре 2500—2700° С

время получены СА в несколько миллиметров; природные алмазы встречаются чаще весом 0,01—0,4 карата (один карат равен 0,2 г), реже в 1 карат и более и совсем редко — более 10 карат. Октаэдрические кристаллы с длиной ребра до 550 мкм образуются в течение нескольких минут, с длиной ребра 1 мм — в течение нескольких часов. Благодаря применению катализаторов — жидких металлов (Cr, Mn, Fe, Со, Ni и др.) удалось уменьшить давление до 12 600 ат и температуру до 1200—2400° С. От температуры зависит форма алмазных кристаллов (кубическая, смешанная кубооктаэдри-

Синтетические алмазы имеют более шероховатую поверхность, меньшие углы заострения режущих кромок и вершин сравнительно с природными алмазами и потому более производительны в ка­ честве абразивного инструмента. Этому способствует и склонность СА к расслаиванию. Изменяя режим синтеза, можно создавать материал с заранее заданными свойствами в отношении формы зерен, их геометрии и прочности. Так, у природных алмазов радиус

413

р = 1,1 4-2,2 мкм и В = 52ч-57° (у электрокорунда имеет место соответственно р = 8,5-4-19 мкм и В = 98-1-108,5°).

В СССР производятся синтетические алмазы марок АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС размером 0,04—0,63 мм и две марки микропо­ рошков АСМ и АСН размером 1—60 мкм для разнообразных ви­ дов обработки. Наиболее развитую поверхность имеют зерна АСО, наиболее гладкую — АСС. Механическая прочность зерна воз­ растает в напрвлении АСО -> АСР - > АСВ -> АСК-> АСС. Сравни­ тельно с природными алмазы АСС более прочны в 1,3—2 раза в зависимости от размера и формы зерен. Наиболее прочны изо­ метрические кристаллы (в четыре-пять раз сравнительно с пластич­ ными и игольчатыми). В последнее время освоено промышленное производство синтетического монокристального алмаза (САМ), отличающегося совершенством огранки и большей прочностью.

Армирование хрупких алмазных зерен металлом предотвра­ щает крупное раскалывание и преждевременное выпадание их из связки абразивного круга. Это обеспечивает двух- и трехкрат­ ную работоспособность сравнительно с обычным алмазным кругом

стойкость. Он представляет собою химическое соединение бора (—44%) и азота (~56%) с кристаллической решеткой с пара­ метрами и строением, близкими к алмазу. Впервые получен в СССР в 1960 г. и с 1964 г. было организовано его промышленное производство.

Нитрид бора — мягкий материал, близкий по структуре (гексагональной) и плотности (~2,2 г/см3 ) к графиту, хотя и

в- качестве лезвийного инструмента, успешно обрабатывающего твердые закаленные стали, в то время как алмазные резцы эффек­ тивны лишь при резании цветных металлов. При отсутствии хи­ мического сродства с железом КН Б в качестве абразивного инстру­ мента успешно обрабатывает высокопрочные стали и сплавы на железистой основе, что не всегда доступно для алмазных абра­ зивных кругов. Шлифовальные круги из КН Б значительно дороже электрокорундовых, однако экономически более эффек­ тивны.

414

печах. В процессе плавки примеси выделяются и после затверде­ вания получается в виде блоков твердая масса корунда с высоким содержанием окиси алюминия (89—99%). Эти блоки разбивают на куски, очищают от металлических включений и размалывают на мельчайшие зерна, отличающиеся большой твердостью и зна­ чительной вязкостью.

С увеличением содержания А 1 2 0 3 повышается производитель­ ность (абразивная способность кругов). Электрокорунд, содер­ жащий 92—95% А 1 2 0 3 (обозначается Э2—Э5), называют нор­ мальным электрокорундом (Э) в отличие от электрокорунда белого (ЭБ) с повышенными содержанием А 1 2 0 3 (98—99%) и режущей способностью, — его острые кромки легко внедряются в твердые обрабатываемые материалы (цементированные, закален­ ные и т. п.). При этом меньше нагревается обрабатываемая де­

чивание), в связи с чем реже требуется правка шлифовальных кругов. В последнее время в СССР выпускается ЭБ повышенного качества марки Э9А.

М о н о к о р у н д (М), обладающий не менее совершенными абразивными свойствами, — разновидность электрокорунда. Он получается из боксита оксисульфидным способом в виде зерна, состоящего из изометричных кристаллов корунда различной величины. Сущность способа состоит в сплавлении боксита с сер­ нистым железом и восстановителем — антрацитом или коксом в электропечи. Форма зерен монокорунда в отличие от других электрокорундов, при измельчении сохраняется в виде много­ гранника различных размеров от 1 до 50 мкм вместо осколков неправильной формы у других абразивных зерен. Зерна моно­ корунда отличаются большой прочностью и остротой режущих кромок и вершин, что позволяет им легко врезаться в обрабаты­ ваемый „материал.

Электрокорунд хромистый (ЭХ) получается при плавке в элек­ тропечах с добавкой хромистой руды. Обладает большим постоян­ ством физико-механических свойств и высоким содержанием моно­ кристаллов. Применяется при повышенных режимах шлифования.

415

для обработки материалов с небольшим сопротивлением разрыву (чугуна, бронзы, латуни) или очень твердых сплавов-

Различаются карбид кремния зеленый (КЗ) и карбид кремния черный (КЧ). Абразивная способность КЗ, имеющего меньше

руются КЧ-5—КЧ8 с содержанием 95—98% SiC и соответственно

высокой твердости, уступающий только алмазу и кубическому нитриду бора. Получается в специальных электропечах сплавле­ нием борной кислоты ( В 2 0 2 ) с малозольным нефтяным или пековым коксом, сажей и т. п. при температуре 2000—2350° С Исполь­ зуется в порошках и пастах для доводки изделий из твердых ма­ териалов.

Б о р с и л и к о к а р б и д (BI) в отличие от карбида бора не содержит вредной примеси графита, отличается большей ста­ бильностью свойств, более прочен и дешевле. На операциях до­

шок, состоящий в основном из кристаллической окиси железа. Полу­ чается переработкой железного купороса и щавелевой кислоты.

Абразивные зерна должны быть тем более твердыми, чем тверже обрабатываемый материал, особенно при обдирочном шлифовании. Твердость абразива определяется методом вдавлива­ ния в него вершины четырехгранной пирамиды с углом 136° под определенной нагрузкой. В результате рассчитывается микро­ твердость (в кгс/мм2 ). В табл. 52 приводятся ее значения для различных абразивных материалов.

Помимо твердости абразивные зерна должны обладать доста­ точной прочностью, чтобы сопротивляться приложенным к ним силам резания, действующим с большими скоростями резания. Практически оценка прочности зерен (весом 5 г) производится путем раздавливания их статической нагрузкой в 250 кгс/см2 . При этом определяется процентное содержание неразрушенных зерен. Показатель механической прочности (в %) рассчитывается

416

Таблица 52

Физико-механические свойства абразивных материалов

раздавливается определенное количество зерен (обычно 100 шт.), по возможности одинаковых изометрических форм и размеров. Удельная разрушающая сила, приходящася на одно зерно, ха­ рактеризует его прочность (в среднем).

Для оценки стандартности абразивного материала вычисляется

зерна в г (среднеарифметический, полученный из трех опреде­ лений сходных по форме и размерам зерен); V— объем мерного цилиндра, равный 50 см3 .

Абразивная способность зерен Ах является некоторым услов­ ным показателем их режущих способностей при определенных условиях. Она определяется испытанием свободно насыпанного зерна между двумя вращающимися с небольшой скоростью стек­ лянными дисками и рассчитывается по формуле

ных кругов, брусков, доводочных паст и пр.) в большой мере опре­ деляются физико-механическими свойствами обрабатываемых мате­ риалов и составом инструмента. Взаимодействие абразивного зерна

93.АБРАЗИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Кабразивным инструментам относятся шлифовальные круги, ленты, бруски, абразивные пасты, суспензии и свободные абра­ зивные зерна для обдирки, отделки и различных доводочных процессов, хонингования и суперфиниширования.

418

Шлифовальные круги, ленты, бруски и пр. можно представить как многолезвийный инструмент с огромным числом режущих элементов — абразивных зерен различной формы, геометрии и размеров, объединенных цементирующими связками в компакт­ ную массу. Режущие кромки абразивных зерен инструмента отстоят от его образующей неравномерно и потому работают в разных условиях нагрузки и температуры.

При большом количестве зерен на рабочей поверхности инстру­ мента (1000—5000) можно полагать, что одновременно работают десятки зерен-резцов и более в зависимости от зернистости круга, площади контакта его с обрабатываемым изделием и режима резания. Размер срезаемой стружки, а следовательно, стойкость инструмента и качество обработанной поверхности будут опре­ деляться различными параметрами, и в частности зернистостью инструмента, т. е. количеством и размерами его зерен, а также физико-механическими свойствами как самих режущих зерен, так и цементирующей их связки.

Зернистость абразивных инструментов

До недавнего времени в СССР зернистость обозначалась но­ мером, соответствующим числу отверстий (меш.), приходящихся на один погонный дюйм сита, на котором задерживается основная фракция (часть) просеиваемого зерна. Основная фракция проходит через сито с более крупными отверстиями предыдущего номера. Эта система сохранилась за рубежрм и в настоящее время.

По ГОСТ 3647—59 принято обозначение номеров зернистости по величине отверстия сита (в сотых долях миллиметра), на котором задерживается зерно основной фракции. В табл. 54 даны старые и новые обозначения номеров зернистости.

Размеры зерен характеризуются их длиной /, высотой h и шириной Ь. Многообразие форм абразивных зерен сводят к сле­ дующим разновидностям:

1)изометричные зерна — наилучшие по прочности и абразив­ ным способностям;

2)пластинчатые — менее прочные;

3)мечевидные — удлиненной формы, как и пластинчатые; считаются иногда дефектными по форме и строению, если быстро разрушаются.

Форма зерен количественно оценивается коэффициентом г, рав­ ным отношению радиусов окружности, условно вписанной в кон­ тур проекции зерна и описанной вокруг него.

Абразивные зерна характеризуются также состоянием поверх­ ности (гладкая, шероховатая), кромок и выступов (острые, за­ кругленные, зазубренные и т. п.). С увеличением размера зерна возрастает радиус закругления его режущих кромок р (напри­ мер, для зернистости № 16 р 13 мкм, а для № 40 р = 28 мкм). Отмечается сравнительно большая округлость эльборовых зерен;

Таблица 54

Обозначения размеров шлифзерна и шлифпорошков

П р и м е ч а н и е . Ц и ф р ы с б у к в о й Л в ы р а ж а ю т з е р н и с т о с т ь э л ь б о р о в о г о

при разрушении их в процессе резания острота увеличивается. У подавляющего большинства зерен углы при вершинах зерен — тупые (>90°) и, следовательно, при шлифовании должны быть относительно большие радиальные силы, нормальные к обрабо­

с белым электрокорундом (—20%) и еще меньше с карбидом крем­ ния (—13%). В дальнейшем ожидается значительное увеличение

420