Конструкції абразивних інструментів

Абразивні інструменти мають свої конструктивні особливості. Шліфувальні круги, бруски, сегменти, головки застосовують для різних операцій шліфування, хонінгування, полірування і т.п. Стрічки використовують для шліфування і остаточної обробки заготівок профілю фасону. Вільні абразивні порошки і пасти застосовують при притиранні і поліровці, рідинній остаточній обробці і т.п.

Конструктивні особливості абразивних інструментів розглянемо на конкретному прикладі шліфувального круга по його маркуванні: ПП 500´60´305 34А 40 СТ2 6 К5 35 м/с А 1 кл. В маркування інструменту входять тип круга і його розміри (ПП 500´60´305), мазка абразивного матеріалу (34А), зернистість і індекс зернистості (40), твердість (СТ2), структура (6), зв'язка (К5), допустима окружна швидкість (35 м/с), клас точності (А), клас неврівноваженості (1 кл).

Абразивні матеріали. Робочими елементами будь-якого абразивного інструменту є класифіковані частинки абразивного матеріалу, твердість яких вище за твердість оброблюваного матеріалу. Як абразивного матеріалу широко використовуються електрокорунд, карбід кремнію, алмаз, кубічний нітрид бору (ельбор). Алмазно-абразивній обробці піддають самі різні поверхні і матеріали. Найбільш широке застосування в машинобудуванні знаходять круги з електрокорунду і карбіду кремнію (мал. 22.12) по ГОСТ 2424—83, алмазні круги по ГОСТ 16167—80, 16172—80Е та ін., а також ельборові круги по ГОСТ 17123—79Е.

Електрокорунд (кристалічний окисел алюмінію АІ₂Оз) одержує з природних бокситів з незначними домішками деяких матеріалів. Випускають наступні різновиди електрокорунду: нормальний (13А—16А), білий (22А—25А), хромовий (32А—34А), титановий (37А), монокорунд (43А—45А), цирконієвий (38А). У міру зростання номера індексу росте процентний зміст окислу алюмінію і збільшується ріжуча здатність. Легуючи глиноземом в процесі плавки титаном, цирконієм, хромом, одержують абразивні матеріали з необхідними властивостями.

Карбід кремнію (карборунд) містить 97—99 % 51С і незначні домішки інших елементів. Випускають два різновиди карбіду кремнію: чорний (53С, 54С) і зелений (63С, 64С). Зелений карбід кремнію більш крихкий, чим чорний, і застосовується для обробки чавуна, твердих сплавів кольорових металів, каменя. Чорний карбід кремнію більш гартується і застосовується в аналогічних випадках, але більш важких умовах обробки. Алмазні інструменти (круги, правлячий інструмент, деякі види лезового інструменту) необхідні для прогресивної технології в машинобудуванні і потреба в них безперервно росте. В даний час в СРСР завдяки синтетичним алмазам повністю задоволені потреби промисловості в цій сировині. В інструментах природний алмаз умовно позначають А, синтетичні алмази АС. По ГОСТ 9206—30Е випускають алмазні шліфпорошки наступних марок: АСО, АСР, АСВ, АСЬК, АСС (шліфзерно 2000—160 мкм, шліфпорошки 125— 40эйкм, мікропорошки 63—14 мкм; тонкі шліфпорошки 10—3 мкм).

В 1957 р. був синтезований новий абразивний матеріал — кубічний нітрид бору. Кубічний нітрид бору можна зустріти під назвами: борозон, композит гексанит, ельбор, кубонит, КНБ. По своїх міцносним характеристиках і ріжучій здатності ельбор близький до алмаза. Його умовне позначення Л. Густина ельбору (3,48 г/смЗ) трохи поступається густиною алмаза (3,5 г/см³).

Кожна група абразивних матеріалів володіє своїми особливостями при обробці різних матеріалів: ріжучі властивості, зносостійкість, теплостійкість, здатність чинити опір адгезійному зношуванню та ін.

Абразивні інструменти з білого електрокорунду застосовують в основному для обробки загартованих заготовок і інструментів з вуглецевих легованих швидкорізальних сталей. Абразивні матеріали з карбіду кремнію 51С мають більшу твердість, ніж зерна електрокорунду, і менший хімічний зв'язок.

Абразивний інструмент з природного і синтетичних алмазів широко застосовують для обробки заготовок і інструменту з твердих сплавів, скла, кераміки, каменя, бурового інструменту.

Для обробки легованих важкооброблюваних, жароміцних сталей і сплавів застосовують шліфувальні круги, бруски, шкури, лезовий інструмент з ельбору.

Зернистість інструменту. Зернистість інструменту характеризує розмір зерен основної групи. Шліфзерно сортують спеціальними ситами з розміром осередків 200— 16 мкм, a шліфпорошки з розміром осередків 12—3 мкм. Зернистість шліфувального матеріалу на абразивному інструменті указують в десятках мікрометрів, наприклад зернистість 40 означає середній розмір зерна 400 мкм. Дрібні зерна називають мікропорошками (М63—М14) або тонкими мікропорошками (МЮ—М5).

Твердість інструменту. Здатності зв'язки запобігати виривання абразивних зерен в процесі різання при збереженні інструментом характеристики в межах встановленої норми називають твердістю інструменту. Чим вище ступінь твердості, тим міцніше зв'язок між абразивними зернами в інструменті. І чим вище твердість, тим більше зв'язки і менше пір. Таким чином, абразивні інструменти з одного і того ж матеріалу, з однією і тією ж зв'язкою можуть мати різну твердість. Збільшення або зменшення об'єму зв'язки на 1,5 % приводить до зміни твердості на один ступінь.

Абразивні інструменти мають різні ступені твердості — від надзвичайно твердих (ЧТ) до надзвичайно м'яких (ЧМ), а також вельми м'які (ВМ), м'які (М), середньо м'які (CM), середні (С), середньо тверді (СТ), тверді (Т) і сильно тверді (ВТ). Кожний ступінь твердості має декілька підгруп і на маркіроваці круга, ступінь твердості вказують індексом, наприклад СТ2, ЧТ5 і т. Твердість — дуже важливий показник працездатності інструменту: в надзвичайно м'якому крузі зерна можуть вириватися із зв'язки, збільшуючи витрату інструменту. В надмірно твердому крузі тупі зерна залишаються в інструменті, погіршуючи параметри якості обробленої поверхні. Певній твердості завжди відповідає певний об'єм пір %.

Твердість абразивного інструменту M1; М2; МЗ; СМ1; СМ2; С1; С2; СТ1; СТ2; СТЗ; Об'єм пір. 46,5; 45; 43,5; 42; 40,5; 39; 37,5; 36; 34,5; 33.

З сказаного вище витікає, що зміна твердості досягається зміною частки зв'язки DVсв і відповідною зміною об'єму пір при постійному об'ємі зерен для певної структури круга. Для об'єму круга

Vs+(Vcв±DVcв)+(Vп±DVn) = 100 %.

Де Vs- сумарний об'єм зерен в крузі %;. Vcв — сумарний об'єм пір в чавуні. %; Vn — сумарний об'єм пір в крузі, %.

По ступеню твердості абразивні інструменти підрозділяють на 8 груп і більш ніж на 20 ступенів твердості (див. табл. 22.2).

Структура шліфувального круга. Процентне співвідношення трьох основних фазових складових (зерен, зв'язки і пір) в об'ємі абразивного інструменту називають структурою. Структури абразивних інструментів позначають номерами від 0 до 20. Структури підрозділяють на закриті (1-4), середні (5-8) і відкриті (9-12). Структури 13-20 - високопористі. Наприклад, в інструменті із структурою 0 об'ємна концентрація зерен 62 %, а із структурою 20—22 %. Із збільшенням структури на один номер об'їм зерен в інструменті зменшується на 2 %, а об'їм зв'язки збільшується на 2 % при незмінному сумарному об'ємі пір. Цю залежність можна представити у вигляді

Vп+(Vcв±DVcв)+(Vз±DVз) = 100 %.

Vз = DVсв =2%

Таблиця 22.2

Шкала твердості абразивних інструментів

Твердість інструмента	Позначення	Твердість інструмента на зв’язках
Керамічній і бакелітовій	Вулканітовій
Надмірно м’який	НМ	-	-
Значно м’який	ЗМ, ЗМ1, ЗМ2	-	-
М’який	М	М1, М2, М3	-
Середньо м’який	СМ	СМ1, СМ2	-
Середній	С	С1, С2	С
Середньо твердий	СТ	СТ1, СТ2, СТ3	СТ
Твердий	Т	Т1, Т2	Т
Значно твердий	ЗТ	ЗТ1, ЗТ2	-
Надмірно твердий	НТ	НТ1 – НТ10	-

 

Таблиця 22.3

Залежність об’єму зерен від номера структури

Структура
Плотна	Середня	Відкрита	Дуже відкрита
№	Об’єм зерен, %	№	Об’єм зерен, %	№	Об’єм зерен, %	№
						13-14	36-34
						15-16	32-30
						17-18	28-26
						19-20	24-22

 

В алмазних, ельборових інструментів зміст абразивної фазової складової задається відносною процентною концентрацією. В даний час в промисловості застосовують алмазні і ельборові інструменти з концентрацією 25, 50, 100, 150 %. Але під 100 % - вою концентрацією алмаза або ельбору розуміють 25 % об'єму абразивної складової, інші 75 % — зв'язка, пори, наповнювачі. При 150%-ной концентрації 37,5 % зерен алмазів або ельбору і т.д.

Абразивні інструменти щільної структури застосовуються для зняття дуже невеликого припуску (мале число пір).

Інструменти з щільними (0—3) структурами використовують для доведення, прецизійного шліфування.

Основні операції попереднього і остаточного шліфування проводять інструментами середніх (5, 6, 7, 8) структур. З підвищенням номера структури відстань між зернами збільшується, краще відводиться стружка, ЗОР легше проникає в зону різання, можна працювати з дещо підвищеними режимами різання. Але інструменти з відкритою структурою володіють меншою міцністю і швидше втрачають форму профілю. Все частіше і частіше, особливо для врізного шліфування заготовок відповідальних деталей, застосовують високопористі круги. Зовнішньо ці круги нагадують губку, вони мають великі за розміром пори. Пори за розмірами перевершують зерна, які сполучені тонкими містками зв'язки. Пори великих розмірів одержують завдяки спеціальній технології виготовлення кругів шляхом вигорання при термічній обробці різних добавок (пластмаси, бісер сополімера, тирса, вугілля і ін.). Зв'язка інструментів. Абразивні зерна в тілі інструменту повинні бути зв'язані між собою, якщо цей інструмент є кругом, бруском, сегментом і т.п. Зв'язуючий матеріал або сукупність декількох зв'язуючих, утримуючих абразивні зерна в тілі інструменту, називають зв'язкою.

Зв'язка грає складну роль в процесі механічної обробки абразивним інструментом. Утримуючи зерна, вона повинна задовольняти певним вимогам: бути крихкою (легко руйнуватися), в'язкою (витримувати великі коливання сил різання і не руйнуватися), дуже міцною (утримувати абразивні зерна до їх повного зношування або викрашування) і т.д. Але всі зв'язки повинні витримувати високу температуру в зоні різання.

Всі зв'язки абразивних інструментів підрозділяють на три групи залежно від физико-механічних властивостей: органічні, мінеральні і металеві. До органічних зв'язок відносяться: бакелітова (Б), в основі якої — рідкий або порошкоподібний бакеліт з деякими наповнюючими і зволожуючим компонентами; вулканітова (В), в основі якої — рідкий каучук. Застосовуючи прискорювачі затвердіння, а також деякі добавки, одержують абразивні круги на вулканічній зв'язці з широким діапазоном експлуатаційних властивостей (пружність, густина). Шліфувальні круги на вулканічній зв'язці дозволяють працювати до швидкості 75 м/с. Недолік вулканічної зв'язки — мала теплостійкість (теплостійкість каучуку 150—180 °3). Тому при тривалій дії температури в зоні різання більш 250° Із зв'язка вигоряє, а при температурі 200°С круг стає крихким.

До органічних зв'язок відноситься і глифталева, в основі якої — синтетичні смоли з гліцерину. Її застосовують як зв'язуючу речовину карбіду кремнію зеленого малою зернистістю від би до М 14 при поліруванні. Вона знаходить застосування і при виготовленні поропластових (високопористих) кругів, об'єм пір яких доходить до 80%. До керамічних (мінеральних) зв'язок (К) відкошуватимуть багатокомпонентні з'єднання, що включають вогнетривку глину, борне скло, тальк, польовий шпат та деякі інші елементи. Як в'яжучі речовини застосовують рідке скло, декстрин і т.п. Керамічна зв'язка характеризується високою крихкістю. Тому круги на керамічній зв'язці не можуть витримувати ударні навантаження і в той же час такі круги можуть працювати в режимі часткового руйнування, тобто самозаточування, що є їх гідністю (наприклад, круги твердістю М і ВМ).

Не дивлячись на порівняльну складність виготовлення шліфувальних кругів на керамічній зв'язці, їх випуск складає 50—60% загального об'єму виробництва. Круги на керамічній зв'язці міцні, теплостійкі і мають найрізноманітніше застосування. Алмазні і ельборові круги часто виготовляють на металевій зв'язці. Наприклад, по відношенню до загального об'єму виробництва кругів на бакелітовій зв'язці випускається 30—35% на вулканічній 4—7%, на інших зв'язках—не більше 1%.

Класи точності і неврівноваженості шліфувальних кругів. При виготовленні абразивного інструменту неминучі відхилення різних параметрів: розмірів, форми, розташування поверхонь і т. і. Залежно від цих відхилень і встановлюють класи точності абразивного інструменту. Шліфувальні круги виготовляють трьох класів точності: АА, А, Би.

Залежно від допустимих неврівноважених мас для абразивних кругів по ГОСТ 3060—86 встановлено чотири класи неврівноваженості: 1, 2, 3. 4. В маркуванні інструменту клас неврівноваженості кругів вказують після класу точність. Маркування алмазних і ельборових кругів дещо відрізняється від маркуванні абразивних. Після позначення геометричних розмірів круга слідує його характеристика, наприклад АС4 100/80 150 M15, де АС4 — матеріал зерен (алмаз синтетичний); 100/80 — інтервал зернистості, мкм; 150 — 150%-на умовна концентрація алмазів (за 100%-ну концентрацію приймають четверть об'єму алмазного шару, тобто 25% алмазів в 1 см3 алмазного шару); M15 — матеріал зв'язки (М — металева).