XXIX и абразивный инструмент

§ 1. СПЕЦИФИКА ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ

Шлифование — процесс резания металлов при помощи абразив-
ного инструмента, режущим элементом которого являются зерна абра-
зивных материалов. Эти зерна, обладающие высокой твердостью (2200—
3100 кПмм¹), теплоустойчивостью и имеющие острые кромки, соеди-
нены специальными связующими веществами в тело определенной
формы, которое и представляет собой абразивный инструмент, упот-
ребляемый в виде шлифовальных кругов, сегментов, головок, брусков
и шкурок. Применяют зерна и в виде паст и порошков.

Выступающие зерна (рис. 367) абразивного материала, прочно
закрепленные в шлифовальном круге связующим (цементирующим)
веществом, при вращении круга с большой скоростью (до 75 м/сек)
срезают (царапают) слой металла с заготовки в виде очень мелкой
стружки.

Большое число стружек (до сотни миллионов в минуту) и их малая
толщина (несколько микрон) обусловливаются малым размером самих
режущих зерен-резцов и большим количеством зерен, одновременно
участвующих в срезании (царапании).

Вследствие малого сечения среза и большой скорости резания шли-
фование обеспечивает высокую точность (2—1-й класс) и хорошую чис-
тоту обработанной поверхности ¹ (Ñ 7 — Ñ 12), а потому этот процесс
чаще всего является окончательной (отделочной) операцией².

Процесс стружкообразования при шлифовании больше всего при-
ближается к резанию, осуществляемому зубом фрезы.

¹ Для автоматического контроля и регулирования размера обработанной поверх-
ности в процессе резания применяются электрокоптактиые и другие измерительные
устройства, обеспечивающие переключение станка с черновой подачи па чистовую,
а также выключение подачи и быстрый отвод шлифовального круга от заготовки при
достижении необходимого размера обработанной поверхности.

² Применяется шлифование и па обдирочных работах (например, при очистке

ЛитЬЯ).

441

Несмотря на малые размеры срезаемого слоя, получаемая при шли-
фовании стружка имеет то же строение и вид, что и стружка, получае-
мая при фрезеровании. Здесь также имеют место упругое и пластичес-
кое деформирование, тепловыделение, упрочнение, износ и др. Но так
как не все зерна одинаково участвуют в работе, то наряду с нормальной
(мелкой) стружкой при шлифовании получается еще и металлическая
пыль, которая при высокой температуре спекается.

Высокая температура при шлифовании (до 1000—1500° С) возникает
в результате наличия у зерен разнообразной, неправильной геометрии
режущей части (отрицательного переднего угла) и большой скорости
резания.

Температура при шлифовании повышается с увеличением износа
зерен, что может вызвать деформацию детали, прижог, структурные
изменения и трещины в обработанной поверхности. Поэтому шлифо-
вание сталей сопровождается обычно примеяением обильного (Г0—
60 л/мин) охлаждения. Смазывающе-охлаждающие жидкости наряду
со снижением температуры способствуют удалению абразивной и метал-
лической пыли из воздуха и очищению пор круга от продуктов отхода,
повышают производительность и улучшают чистоту обработанной
поверхности; замедляется и размягчение связки круга, которое получа-
ется вследствие нагрева.

При шлифовании сталей наибольшее распространение имеют сле-
дующие смазывающе-охлаждающие жидкости: 1) 1%-ный растЕор
кальцинированной соды и 0,15%-ный нитрита натрия; 2) 2%-ный вод-
ный раствор мыльного порошка; 3) 5—7%-ный водный раствор
эмульсола; 4) 3,5%-ный водный раствор нейтрального эмульсола на
основе олеиновой кислоты.

При шлифовании алюминия применяют керосин или керосин с добав-
кой минеральных масел. Чугун и медь часто шлифуют без охлаждения,
 но при этом желательно наличие пылеотсосов.

Наряду с общими явлениями, присущими и другим видам обработки
металлов резанием, процесс шлифования имеет и специфические осо-
бенности:

1) в отличие, например, от фрезы шлифовальный круг имеет не
сплошную, а прерывистую режущую кромку, так как зерна отстоят
друг от друга на некотором расстоянии;

2) в отличие от зуба фрезы зерна шлифовального круга имеют не-
правильную,округленную в вершинах геометрическую форму и произ-
вольно расположены в круге, что вызывает, как правило, отрицатель-
ное и непостоянное значение переднего угла;

3) вследствие пирамидальной и округленной формы режущей части
зерна при шлифовании имеется взаимосвязь между толщиной (глу-
биной) и шириной среза;

4) в процессе работы шлифовальный круг может самозатачиваться,
т. е. под действием повышенной нагрузки на затупленное зерно пос-
леднее может расколоться или чаще всего выкрошиться из связки,
обнажив новые острые зерна, которые и будут продолжать резание;

5) вследствие округления вершины зерна и нулевой толщины среза
в момент, предшествующий царапанию — срезанию (т. е. при вреза-
нии), имеет место сильное скольжение — трение зерен о поверхность
резания, образованную впереди идущими зернами-резцами;

6) процесс снятия стружки зерном происходит за очень короткий
промежуток времени (0,0001—0,00005 сек),    практически мгновенно.

Все эти особенности делают процесс резания при шлифовании
более сложным, чем при других видах обработки, и создают большие
трудности как при теоретическом, так и при экспериментальном его
исследовании.             

§ 2. ХАРАКТЕРИСТИКА АБРАЗИВНОГО
ИНСТРУМЕНТА

Абразивные материалы. Применяющиеся в виде режущих зерен
материалы делятся на две группы:

естественные и искусственные.

К естественным абразивным материалам относятся
минералы — алмаз, корунд и наждак. Основной составляющей частью
корунда и наждака является окись алюминия (глинозем); они содержат
также посторонние примеси, снижающие их качество, а потому в сов-
ременном машиностроении почти не применяются.

К искусственным абразивным материалам относятся
электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, боразон, искусственный
алмаз¹.

Электрокорунд (искусственный корунд) является кристал-
лической окисью алюминия Al₂O₃, получаемой путем электроплавки
бокситов, которые состоят в основном из окиси алюминия и некоторых

¹ См. стр 16.

 

442

443

примесей. При плавке (температура плавления 2200—2400° С) из бок-
ситов выделяются примеси, а окись алюминия кристаллизуется. Элект-
рокорунд обладает высокой твердостью (уступая карбиду кремния,
карбиду бора и алмазу), значительной вязкостью, выдерживает высо-
кую температуру (до 2050° С) и дает при дроблении острые режущие
кромки. Твердость (2200—2600 кПмм²) и вязкость корунда зависят от
содержания окиси алюминия. Чем больше в корунде окиси алюминия,
тем больше твердость и меньше вязкость (выше хрупкость)

В зависимости от содержания окиси алюминия электрокорунд
делится на два основных вида¹, широко применяющихся в промышлен-
ности: нормальный электрокорунд Э (содержащий 87—97% кристал-
лической окиси алюминия) и электрокорунд белый ЭБ (содержащий
98—99% кристаллической окиси алюминия). Белый электрокорунд
приготовляется из чистого глинозема и имеет режущую способность на
30—40% выше, чем электрокорунд.

Электрокорунды применяются при обработке металлов и сплавов
с высоким пределом прочности при разрыве (стали, ковкий чугун,
мягкие бронзы и др.).

Карбид кремния (карборунд) является химическим соеди-
нением кремния и углерода (SiC). Он получается из кварцевого песка
при сплавлении его с углеродом (коксовым порошком). При нагреве
в электропечах до 1920° С кремнезем, содержащийся в кварцевом
песке, вступает во взаимодействие с углеродом, образуя при этом кар-
бид кремния. Карбид кремния имеет высокую твердость (уступая кар-
биду бора и алмазу), теплоустойчивость (до 2050° С) и режущие свой-
ства. Последнее объясняется тем, что карбид кремния дает при дроб-
лении более острые режущие кромки. Карбид кремния выпускается
двух видов: черный КЧ и зеленый карбид кремния КЗ. Черный кар-
бид кремния менее качественен и содержит SiC не менее 95%.

Зеленый карбид кремния имеет несколько большую твердость
(до 3100 кГ/мм²), обеспечивает несколько большую производительность
(что объясняется его большей способностью давать острые режущие
кромки) и содержит не менее 97% SiC. При его изготовлении применя-
ется чистый кварцевый песок (с содержанием кремния выше 99%),
более чистый углерод и затрачивается значительно больше электро-
энергии, зеленый карбид кремния дороже черного.

Недостатком карбида кремния является хрупкость. Поэтому его
применяют при обработке материалов с малым пределом прочности
на разрыв (чугуна, бронзового литья, алюминиевого литья, твердых
сплавов и др.), причем зеленый карбид кремния применяют в основном
для заточки инструмента, оснащенного твердым сплавом. Карбид крем-
ния применяют также и для так называемой безалмазной правки шли-
фовальных кругов после их затупления в процессе шлифования.

¹ К электрокорундам относится и монокорунд. Монокорунд М изготовляется
по особой технологии, содержит до 99% окиси алюминия и до 0,9% окиси железа
и обладает большой прочностью и износостойкостью; получается непосредственно
в виде зерна различной величины.

Карбид бора (В₄С) является химическим соединением бора
с углеродом. Он обладает большой твердостью, приближающейся' к
самому твердому материалу — алмазу, но хрупок. Применяют карбид
бора для доводки твердых сплавов, при притирочных работах, для
резки драгоценных камней и при других работах, требующих высокой
твердости режущего инструмента.

Боразон (кубический нитрид бора) — новый абразивный син-
тетический материал близкий по физико-механическим свойствам
к алмазу, но обладает большей теплостойкостью.

Зернистость абразивных материалов. Абразивные материалы дро-
бятся в шаровых мельницах, после чего полученные зерна сортируются
по размерам. Размер зерен колеблется от 3,5 до 2500 мк. В зависимости
от размера зерен по ГОСТу 3647—59 устанавливаются следующие их
номера¹ (зернистость): 200 (10), 160 (12), 125 (16), 100 (20), 80 (24)
63 (30), 50 (36), 40 (46), 32 (54), 25 (60), 20 (70), 16 (80), 12 (100), 10 (120,
8 (150), 6 (180), 5 (230), 4 (280), 3 (320), М40, М20, М14, М10, М7 и М5.
Наибольший размер зерна имеет номер 200 (10), наименьший — М5.
Абразивные материалы номеров 200—16 называют шлифзерном,
номеров 12—3 — шлифпорошками, номеров М40 — М5 — микро-
порошками.

Для номеров с 200 по 5 номер зернистости определяют по величине
отверстия сита². Зерна, прошедшие через данное сито, но остающиеся
на следующем, более мелком, обозначаются номером первого сита.
Зернистость более мелких зерен (4—М5) устанавливают микроскопи-
ческим методом.

Связки. Для соединения зерен в одно целое применяют связующие
(цементирующие) вещества, так называемые связки. От связок зависит
прочность удержания зерна в круге и прочность самого круга, при
вращении которого возникают большие центробежные силы. Связки
делятся на органические и неорганические.

К органическим связкам относятся вулканитовая В и
бакелитовая Б.

Вулканитовая связка состоит из каучука (резины) и серы (30%).
Она получается смешением размягченной бензином резины с серой.
Абразивный инструмент, изготовленный на вулканитовой связке,
обладает высокой прочностью, эластичностью и не боится влаги. Бла-
годаря прочности и эластичности инструмент на такой связке может
иметь малую толщину (0,5 мм) при большом диаметре (до 150 мм),
что для отдельных работ очень важно. Шлифовальные круги на вулка-
нитовой связке допускают большие окружные скорости (до 75 м/сек)
и обладают высоким полирующим действием. Недостатком этой связки
является быстрое засаливание абразивного инструмента, снижающее
его производительность.

¹ В скобках поставлено обозначение зернистости по старому ГОСТу 3647—47.

² Каждое сито имеет номер, который примерно соответствует числу ячеек на
1 пог. дюйм (при определении номера зернистости по старому "ГОСТу 3647—47).

 

444

445

Бакелитовая связка состоит из бакелита — искусственной
смолы, приготовленной из карболовой кислоты и формалина. Круги
на этой связке прочны, эластичны, допускают большие окружные ско-
рости вращения, но разрушаются от действия щелочной охлаждающей
жидкости. Во избежание этого рекомендуется пропитка круга парафи-
ном. К недостаткам бакелитовой связки относится и то, что она теряет
прочность при нагреве выше 180° С. В целях повышения класса чистоты
обработанной поверхности (до Ñ 13)абразивный инструмент на баке-
литовой связке делают иногда с графитовым наполнителем.

К неорганическим связкам относятся керамическая К,
магнезиальная М и силикатная С.

Керамическая связка получила наибольшее распростра-
нение. Она приготовляется из огнеупорной глины, полевого шпата,
кварца, талька, мела и жидкого стекла. Основным материалом явля-
ются первые три. Связки эта огнеупорная и химически стойка, а абра-
зивные инструменты, приготовленные на ней, обладают большой произ-
водительностью, хорошо сохраняют профиль рабочей кромки, не боятся
влаги.

Недостатком керамической связки является хрупость, что делает
абразивные инструменты чувствительными к ударной нагрузке.

Большим достижением нашей абразивной промышленности явля-
ется изготовление и внедрение специальных высокопрочных керами-
ческих связок, позволяющих осуществлять высокопроизводительное
(скоростное) шлифование (скорость вращения шлифовального круга
50 м/сек и выше).

Круги, предназначенные для скоростного шлифования, маркиру-
ются на торце красной полосой.

Магнезиальная (магнезит и хлористый магний) и с и л и -
к а т н а я (смесь глины, кремневой пыли и жидкого стекла) связки
дают мягкий абразивный инструмент, малопрочный и малопроизводи-
тельный, а потому редко применяемый.

Твердость абразивного инструмента. Под твердостью абразивного
инструмента подразумевается способность связки удерживать зерно
в инструменте при воздействии на него внешних усилий. Чем легче
выкрашивается зерно из инструмента, тем мягче инструмент, и наобо-
рот. Твердость — важная характеристика абразивного инструмента,
от которой во многом зависят производительность и качество обрабо-
танной поверхности. Слишком твердый круг будет способствовать воз-
никновению прижогов на обработанной поверхности или требовать
частой правки, так как затупившиеся зерна не будут иметь возмож-
ности выкрошиться из твердой связки и обнажить острые зерна. Работа
же затупленными зернами приводит к большей затрате мощности,
к большему трению и теплбвыделению, что может вызвать не только
прижоги обработанной поверхности, но и коробление детали. Слиш-
ком мягкий круг будет осыпаться, т. е. быстро изменять свою форму и
размеры. Поэтому для каждого конкретного случая обработки тре-
буется инструмент определенной твердости.

Твердость абразивного инструмента характеризуется и опреде-
ляется ГОСТом 3751—47, согласно которому установлена следующая
шкала твердости:

Твердость круга                                   Обозначение твердости

М — мягкий......................................................................... Ml, M2, МЗ

СМ —среднемигкии. >.......................................................... СМ1, СМ2

С — средний.......................................................................... CI, C2

СТ — среднетвердый.............................................................. СТ1, СТ2, СТЗ

Т — твердый......................................................................... Tl, T2

ВТ — весьма твердый........................................................... ВТ1, ВТ2

ЧТ — чрезвычайно твердый.................................................... 4Т1, 4Т2

Из степеней твердости Ml, M2 и МЗ более мягким будет инструмент
твердости Ml и более твердым МЗ. Такое же распределение твердости
и в обозначениях СТ1, СТ2, СТЗ и др.

Определение и контроль твердости абразивных инструментов про-
изводятся двумя основными методами: 1) пескоструйным (по глубине
лунки на инструменте, образованной под действием определенного
объема кварцевого песка, выбрасываемого под давлением 1,5 кГ/см²) и
2) вдавливанием стального шарика.

Структура абразивного инструмента. Кроме материала зерна, зер-
нистости, твердости и связки, абразивный инструмент определяет еще

и структура. Структура характеризует строение абразивного инстру-
мента в зависимости от количественного соотношения между зернами,
связкой и порами в единице объема.

Абразивный инструмент имеет 13 номеров структур (0—12), кото-
рые делятся на три группы (рис. 368): плотные (0—3), среднеплотные
(4—6) и открытые (7—12). Номер структуры определяет промежутки
(расстояние) между зернами: чем больше номер, тем больше промежу-
ток. Правильное назначение структуры абразивного инструмента
будет способствовать меньшему заполнению пор стружкой, а следова-
тельно, и повышению производительности.

Исследования показывают также, что при повышении номера струк-
туры прижоги обработанной поверхности уменьшаются.

 

446

447

Маркировка абразивного инструмента. Для конкретных условий
обработки требуется абразивный инструмент с определенными физико-
механическими данными. В связи с этим он подвергается маркировке,
в которой кратко дана полная характеристика круга (абразивный
материал, зернистость, твердость, связка, структура, форма, размер и
максимальная окружная скорость вращения).

Например, маркировка

ЭБ50СМ1К5

ПП150 х 50 х 65

30 — 35 м/сек

обозначает, что шлифовальный круг из электрокорунда белого, зер-
нистостью 50, среднемягкий 1, на керамической связке, структура № 5;
форма плоская прямого профиля, с наружным диаметром 150, шири-
ной (высотой) 50, диаметром отверстия 65 мм; скорость вращения не
более 30—35 м/сек. Указывать структуру круга в маркировке не обяза-
тельно.