АБРАЗИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ
Методические указания
к лабораторной работе
Разработал Промптов А.И
Иркутск 2014
АБРАЗИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ
Цель работы
Приобрести основные сведения об абразивных инструмента, их исполнении и назначении, паромерах, характеризующих их рабочие свойства Получить навыки выбора абразивного инструмента для заданных условий обработки.
Основные понятия
Абразивная обработка представляет процесс резания с использованием инструмента, режущими элементами которого являются кристаллические зерна, обладающие высокой твердостью и теплостойкостью.
Зерна, находящиеся на рабочей поверхности инструмента, при движении ретине путем одновременного царапания и истирания удаляют с обрабатываемой поверхности слой металла в виде мелкой стружки. Укатанные выше эксплуатационные свойства абразивных материалов позволяют вести ими обработку с высокими скоростями резания практически любых конструкционных материалов.
В сопоставлении с лезвийной обработкой абразивная обработка имеет ряд особенностей. Режущие лезвия имени малую протяженность, что определяется размерами абразивных зерен. Абразивные зерна представляют собой неправильные многогранники, которые имеют хаотичную ориентацию. Как следствие для них характерны большие отрицательные передние утлы. В работе одновременно участвует большое число режущих элементов. Все это в совокупности приводит к тому, что прочесе резания сопровождается возникновением высокой температуры, а большая степень измельчения срезаемою материала приводит к большой энергоемкости пронесся (примерно на порядок превосходящей энергоемкость лезвийной обработки).
Для придания абразивному инструменту необходимой формы к обеспечения его прочности в нею помимо абразивного материала вводят связывающее вещество (связку). Количество святки устанавливают таким образом, чтобы между абразивными зернами и связкой оставались поры, обеспечивающие образование режущих кромок и пространства для размещения стружки (рис. I).
В настоящее время используют искусственные абразивные материалы в связи с их большей химической чистотой и однородностью и. как следствие, большей прочностью и износостойкостью Основными абразивными материалами являются электрокорунд и карбид кремния.
Электрокорунд представляет кристаллический оксид алюминия (Al2O3). Получают его плавкой глинозема в электропечах (о чем свидетельствует название материала). Существует несколько видов электрокорунда: нормальный, белый, легированный (хромистый, титанистый, хромотитанистый и циркониевый) и монокорунд.
Рис. 1 Строение абразивного инструмента: 1 - абразивное зерно; 2 - связка; 3 - поры
Электрокорунд нормальный в зависимости от содержания примесей имеет марки 12А, 13А, 14А, I5A и 16А (содержание примесей соответственно от 8 до 5%). Абразивные инструменты из электрокорунда нормального имеют цвет близкий к кирпичному.
Электрокорунд белый отличается меньшим содержанием примесей (от 5 до 3%) и более высоким качеством. Его марки 22А, 23А. 24А, 25А Цвет абразивных инструментов из электрокорунда белого отвечает его названию.
Электрокорунд хромистый марок 32А, ЗЗА и 34А получают плавкой глинозема с присадкой хромистой руды. D нем содержится не менее 97% Al2O3 и до 2% CrO.
Электрокорунд титанистый марки 37А выплавляют из глинозема с присадкой соединений титана. В нем содержится не менее 97% Al2O3 и не менее 2% TJ02. Электрокорунд циркониевый марки 38А содержит до 2% оксида циркония. Абразивные инструменты из легированных электрокорундов имеют цвет от малинового до фиолетового.
Монокорунд отличается от остальных электрокорундов тем, что необходимый размер зерен обеспечивают не дроблением слитка, полученного при выплавке, а путем кристаллизацией расплава в воде. В результате абразивные зерна имеют естественную форму, на них отсутствуют повреждения, вызванные механическим воздействием. Поэтому монокорунд обладает большей прочностью и более высокими режущими свойствами. Монокорунд выпускают марок 43А,44А и 45А, которые содержат 97...98% Al2O3.
Карбид кремния представляет соединение кремния с углеродом. Получают его при нагреве смеси кварцевого песка с углеродом в виде кокса
SiO2+C=SiO+O2.
Карбид кремния имеет две разновидности: карбид кремния черный марок 52С. 53С, 54С, 55С, и карбид кремния зеленый марок 62С, 63С. 64С. Более качественным, но и более дорогим является карбид кремния зеленый. В нем содержится карбида кремния 98...99%, в то время как в карбиде кремния черном 95...98%. Цвет абразивных инструментов из карбида кремния близок к серо-зеленому. У инструментов из карбида кремния зеленого он более светлый.
Размеры абразивных зерен характеризуются зернистостью. При изготовлении абразивных инструментов поступающий материал просеивают через ряд сит с постепенно уменьшающимися размерами ячеек. Размер ячеек сита, выраженный в сотых долях миллиметра, на котором остается основная часть абразивных зерен, определяет их зернистость и соответственно зернистость инструмента. Например, если основная часть просеиваемых абразивных зерен осталась на сите с размерами ячеек 1600 мкм. абразивному материалу будет присвоен номер зернистости 160.
Абразивные зерна, имеющие размер, отвечающий номеру зернистости, представляют основную фракцию. При используемом методе разделения абразивных зерен в абразивном инструменте могут присутствовать зерна меньших размеров (мелкая фракция) и зерна больших размеров (крупная фракция). В связи с этим различают нормальную концентрацию (Н). когда основная фракция составляет 45% от общею объема абразивного материала, и повышенную (П) с увеличением относительного объема основной фракции до 55%.
По размерам абразивные зерна разделяют на шлифзерно с зернистостью 200, 160, 100, 80, 63, 50, 40. 32, 25. 20, 16 и шлифпорошки с зернистостью 12, 10, 8. 6, 4. 3. Для доводочных работ в виде свободного абразива, кроме того, выпускают микропорошки и тонкие микропорошки, зернистость которых определяют микроскопическим анализом. Характеризуют их зернистостью, выраженной в микрометрах, на что указывает стоящая в начале обозначения буква «М»: микропорошки М63, М50, М40, М28, М20, M14. гонкие микропорошки М10, М7, М5.
Для изготовления абразивных инструментов используют два вида связок: неорганические и органические.
Основной неорганической связкой, имеющей наибольшее применение, является керамическая, в состав которой входят огнеупорная глина, полевой шпат, борное стекло, тальк и другие неорганические материалы. Марки керамической связки K1, К2, КЗ, К5, К8, KI5, К20 и другие. Плавящиеся керамические связки (Kl, K5) обеспечиваю! прочное соединение электрокорундовых зерен, вступая с ними в химическое взаимодействие. Спекающиеся керамические связки (К2, К3) используют для закрепления зерен карбида кремния. В процессе изготовления абразивного инструмента они расплавляются только частично.
Достоинством керамической связки является отсутствие в ее составе дефицитных компонентов, отсюда и относительная дешевизна, химическая инертность, термостойкость и влагоустойчивость. Недостаток - повышенная хрупкость, что исключает работу с ударными нагрузками.
В тех случаях, когда нагрев деталей при обработке недопустим, применяют магнезиальные связки (М), представляющие смесь каустического магнезита и хлористого магния, и силикатные (С), сырьем для которой служит жидкое стекло.
К органическим связкам относятся бакелитовая (Б), вулканитовая (В) и глифталевая (Г).
Основой бакелитовой связки является тяжелая фракция нефтеперегонки. Абразивные инструменты на бакелитовой связке обладают более высокой прочностью и упругостью по сравнению с абразивными инструментами на керамической связке, что позволяет работать с высокими скоростями, но при температуре до 200º С. Бакелитовая связка имеет три основных разновидности: Б1, Б2, Б3.
Сырьем для вулканитовой связки служит синтетический каучук. Абразивные инструменты на вулканитовой связке получают прессованием и вулканизацией смеси абразивных зерен и каучука. Эластичность связки, ее способность прочно удерживать абразивные зерна позволяет изготавливать абразивные инструменты малой толщины. Податливость связки не позволяет абразивным зернам снимать большие стружки, что обеспечивает получение обработанных поверхностей с особо малой шероховатостью. Ограничивают производительную обработку инструментами на вулканитовой связке рабочие температуры, которые не должны превышать 150º. Вулканитовую связку выпускают марок В, В1, В2, Б3, отличающихся прочностью и эластичностью
Глифталиевая связка, основанная на смоле того же названия, имеет ограниченное применение. Её используют для изготовления инструментов из карбида кремния зеленого зернистостью 6...M14, предназначенных для тонкого шлифования.
Выпуск абразивного инструмента на керамической связке составляет 50...60% от общего объема, на бакелитовой связке - 30...40%, на вулканитовой связке - 4...7%, на остальных связках - 1...2%.
Специфичной характеристикой абразивного инструмента является его твердость. Она определяет способность связки удерживать абразивные зерна. Чем выше твердость, тем необходимы большие силы для удаления абразивных зерен. Поэтому они могут затупляться в большей мере, что обеспечивает увеличение срока службы инструмента, но снижает качество обработанной поверхности и приводит к росту температуры резания. В результате на обработанной поверхности стальных детален могут появляются прижоги, являющиеся продуктом окисления железа.
Для обеспечения оптимального сочетания расхода абразивного инструмента и качества обработки требуется мелкая градация твердости абразивного инструмента. Стандартом установлено 7 классов твердости:
• М мягкие (М1,М2,МЗ);
• СМ - среднемягкие (СМ1, СМ2);
• С - средние (С1,С2);
• СТ - среднетвердые (СТ1, СТ2, СТ3);
• Т - твердые (Т1, Т2);
• ВТ - весьма твердые;
• ЧТ - чрезвычайно твердые.
При выборе твердости абразивного инструмента руководствуются следующими общими положениями.
Для обработки твердых материалов следует применять мягкие круги. Твердые материалы быстрее затупляют абразивные зерна, а их удаление происходит легче, если твердость инструмента мала.
Для выполнения предварительных операций используют более твердые абразивные инструменты, так как качество получаемой поверхности в этом случае имеет меньшее значение. Чем больше площадь контакта абразивного инструмента с изделием, тем ею твердость должна быть меньше, поскольку обновление затупившихся зерен затрудняется.
При обработке фасонных поверхностей твердость абразивного инструмента должна быть более высокой, так как интенсивное выкрашивание абразивных зерен ведет к быстрой потере формы рабочей поверхности инструмента.
Регулирование расстояния между зернами абразивною инструмента, определяющего пространство для размещения стружки, осуществляют изменение соотношения между массой абразивного материала и массой связки. Это соотношение характеризуют структурой абразивного инструмента. Основными являются 12 номеров структуры, разделенных на три группы: плотная (№№1...4), среднеплотная (№№5...8) и открытая (№№9...12). В структуре №1 содержание абразивного материала составляет 60%. С повышением номера структуры содержание в инструменте абразивного материала уменьшается на 2%. В структуре №12 содержание абразивных черен составит 38%.
При выборе структуры инструмента руководствуются следующими соображениями. Мягкие материалы с небольшим сопротивлением разрыву обрабатывают инструментами открытых структур. Для обработки твердых, хрупких материалов используют инструменты плотных структур. Чистовую обработку осуществляют также инструментами плотных структур, что обеспечивает одновременное участие в работе большего числа зерен, меньшие толщины среза и получение в итоге более качественной поверхности. Это относится и к обработке фасонных поверхностей. Для грубой обработки, связанной с удалением значительных припусков, находят применение инструменты открытых структур.
По форме абразивные инструменты имеют четыре исполнения: шлифовальные круги, шлифовальные головки, абразивные бруски и шлифовальные сегменты.
Шлифовальные круги, предназначенные для работы на шлифовальных и заточных станках, имеют следующие основные формы (цифры, стоящие впереди, обозначают номер формы): 1 - плоские прямые (рис. 2а); 2 - кольцевые (рис. 26); 3-е коническим профилем (рис. 2в); 4-е двухсторонним коническим профилем (рис. 2г); 6 - чашечные цилиндрические (рис. 2д); 11 - чашечные конические (рис. 2е); 12 и 14 - тарельчатые (рис. 2ж,и) и 41 -дисковые (рис. 2 к).
Шлифовальные круги плоские прямые являются самым широко используемым абразивным инструментом. С их помощью осуществляют наружное продольное и врезное шлифование (рис. 3а,б), бесцентровое шлифование (рис. 3в), внутреннее шлифование (рис. 3г), плоское шлифование периферией круга (рис. 3д). Кольцевые круги отличаются от плоских прямых кругов меньшим наружным диаметром при том же диаметре отверстия. Их основное применение -внутреннее шлифование.
Чашечными цилиндрическими кругами шлифуют отверстия в случае ограниченного пространства для выхода инструмента, так как элементы его крепления на шпинделе станка размешаются в полости круга. Ими же наряду с чашечными коническими кругами осуществляют плоское шлифование торцом круга на плоскошлифовальных станках с вертикальным шпинделем (рис. 3е) н для заточки режущих инструментов по задней поверхности на заточных станках (рис. 3ж).
Основное назначение тарельчатых кругов заточка режущих инструментов по передней поверхности (рис. 3к). Для заточки винтовых зубьев используют коническую поверхность круга. Предварительную заточку прямых зубьев осуществляют кругами формы 12, которые, имея плоскую торцовую поверхность, обеспечивают большую производительность. Для окончательной заточки предназначены кручи формы 14 с конической торцовой поверхностью. Малая площадь контакта с затачиваемым инструментам снижает температуру резания, что позволяет избежать перегрева затачиваемою инструмента и тем самым повысить качество заточки.
Дисковыми кругами выполняют отрезные и разрезные работы, прорезку узких пазов.
Рис. 2. Шлифовальные круги: а - плоский прямой: 6 - кольцевой: в - с коническим профилем; г-с двухсторонние конический профилем; д - чашечный цилиндрический: е - чашечный конический: ж - тарельчатый (форма 12); и - тарельчатый (форма 14); к- дисковый
Шлифовальные головки, которые представлены на рис.4, служат для зачистки поверхностей, в том числе самой сложной формы, осуществляемой с помощью ручных шлифовальных машин. Шлифовальными головками цилиндрической формы обрабатывают отверстия малых диаметров на круглошлифовальных станках.
Абразивные бруски используют на слесарных операциях удаления заусенцев, образующихся на деталях при механической обработке, притупления острых кромок, а также в сборных инструментах в качестве рабочих элементов. Их формы в поперечном сечении представлены на рис 5.
Шлифовальные сегменты (рис 6) служат рабочими элементами сборных шлифовальных кругов, работающих торном. Они заменяют чашечные круги в тех случаях, когда требуется инструмент большою диаметра. Форма сегментов в поперечном сечении зависит от способа их крепления в корпусе инструмента.
Рис. 3. Виды шлифования; а - круглое продольное шлифование; б - круглое врезное шлифование; в - бесцентровое шлифование; г - внутреннее шлифование; д - плоское шлифование периферией круга; е - плоское шлифование торцом круга; ж - затачивание режущего инструмента по задней поверхности; к - затачивание режущего инструмента по передней поверхности
Для шлифовальных кругов установлены классы точности АА, А, В. Для высокоточной обработки предназначены круги класса точности АА. Дня большинства видов шлифования используют круги класса точности А.
С классом точности кругов связана допускаемая их неуравновешенность. Установлено четыре класса неуравновешенности: Л 2, 3, 4. Для кругов класса точности АА неуравновешенность должна быть класса 1, для кругов класса точности А - класса / или 2, для кругов класса точности Б - класса 2 или 3.
Маркируют шлифовальные круги и приводят их характеристику в технической документации в следующей последовательности: тин круга (номер формы), наружный диаметр, высота, диаметр посадочного отверстия, марка абразивного материала, зернистость, твердость, номер структуры, марка связки, рабочая окружная скорость, класс неуравновешенности, класс точности. Например, имеем следующую запись;
1 300x40x127 24А 20-П СМ-2 6 К5 35 м/с 1 кл А
Еe расшифровка дает: 1 - круг плоский прямой, 300 - наружный диаметр круга, 40 - ширина круга. 127 - диаметр посадочного отверстия, 24А - абразивный материал электрокорунд белый, 20 - зернистость круга. П - повышенная концентрация основной фракции, СМ-2 - среднемягкий второй, б -структура №6. К5 связка керамическая, 35 м/с -рабочая окружная скорость, 1 -первый класс неуравновешенности. А - класс точности круга А.
На шлифовальных кругах допускается наносить маркировку частично. II сокращенном объеме может присутствовать маркировка на шлифовальных головках, брусках и сегментах при их достаточных размерах.
При выборе абразивного материала, зернистости твердости и структуры шлифовального круга можно руководствоваться рекомендациями, приведенными в таблицах 1,2, 3 и 4.
Таблица 1
Рекомендации но выбору абразивного материала
| Абразивный материал | Марка | Область применения |
| Электрокорунд нормальный | 13А, 14А | Обдирочное шлифование стальных заготовок, предварительное шлифование незакаленных сталей |
| 15А | Чистовое шлифование незакаленных сталей | |
| Электрокорунд белый | 23А, 24А | Предварительное шлифование накаленных сталей и быстрорежущегоинструмента |
| 25А | Чистовое шлифование закаленных сталей, заточка быстрорежущего инструмента. Шлифование труднообрабатываемых сталей | |
| Электрокорунд хромистый | 33А, 34А | Шлифование изделий из незакаленных и закаленных сталей |
| Электрокорунд титанистый | 37А | Скоростное шлифование сталей кругами на керамической и бакелитовой связках |
| Электрокорунд 1Д циркониевый | 38А | обдирочное шлифование стальных заготовок кругами на бакелитовой связке |
| Электрокорунд хромотитанистый | 91А, 2А, 93А, 94А | Шлифование на полу чистовых и чистовых режимах закаленных сталей всех видов кругами на всех связках |
| Монокорунд | 43А.44А, 45А | Шлифование труднообрабатываемых сталей и сплавов. Заточка режущих инструментов из быстрорежущей cram |
| Карбидкремния черный | 53С, 64С, | Обработка заготовок из чугуна и цветных металлов |
| Карбид кремния зеленый | 62С, 63С, 64С | Скоростное шлифование чугуна кругами на всех связках, заточка твердосплавного режущего инструмента |
Таблица 2