Свойства электрокорундовых шлифовальных материалов

27.12.15
869
0

   Эффективность шлифования при обеспечении требуемого качества обработки является одной из главных задач в области абразивной обработки. На большинстве промышленных предприятий основными путями её решения  считается применение современнейшего шлифовального оборудования, назначение оптимальных параметров и  производительности процесса шлифования;, обеспечивающими качество обработки, высокую стойкость абразивного инструмента, экономичность процесса и  т.д. Кроме  того, совершенно обосновано учитывается характеристика обрабатываемого материала, геометрические параметры и форма шлифуемой поверхности, припуск на обработку, исходное состояние шлифуемой поверхности и т.д. 
   Перечисленные факторы важны, но при неверном подборе характеристики абразивного инструмента их значение нивелируется. Эффективность шлифовальных операций в значительной степени зависит от правильного выбора характеристики абразивного инструмента.
  Одним из ключевых параметров абразивного инструмента является сам абразивный материал, с помощью которого осуществляется процесс шлифования.

Свойства абразивных материалов
Абразивные материалы - это преимущественно материалы высокой твердости, природные и искусственные, способные осуществлять абразивную обработку.
 В изготовлении абразивного инструмента столетиями использовались такие виды природных абразивов как алмаз, гранат, кремень, корунд или наждак.
Корунд являлся самым распространенным абразивным материалом, который широко использовался в обработке металлов (происходит от англ. - corundum, заимствованным из тамильского языка - kuruntam, произошедшим в свою очередь из санскрита - curuvinda - рубин). Шлифовальные (наждачные) круги из корунда получали с помощью обтесывания (материал хорошо скалывается) и обтачивания еще более твердым абразивом, таким как алмаз, кремень. Природный корунд сослужил добрую службу промышленности до внедрения искусственных материалов высокого качества, появившихся благодаря развитию металлургии.
 К природным (естественным) абразивным материалам, имеющим и в настоящее время промышленное значение, и очень ограниченное применение, относятся алмаз, гранат, корунд, кремень и др.
Искусственные абразивные материалы отличаются большей стабильностью физико-механических свойств по сравнению с природными. В настоящее время искусственные абразивные материалы практически полностью вытеснили в промышленности природные. К искусственным абразивным материалам относятся алмаз синтетический, карбид бора, карбид кремния, техническое стекло, эльбор, электрокорунд и др.
Наиболее распространённым абразивным материалом является электрокорунд, о применении которого остановимся подробнее.

СПРАВКА
Химически чистый корунд представляет собой кристаллическую окись алюминия, получаемую в результате плавки химически чистой окиси алюминия (глинозема) при температуре около 20500 С. Электрокорунд выпускается обычно с содержанием 91 — 99% Аl203; плотность 3,93 — 4,01 г/см3; микротвердость 1800 — 2600 кгс/мм2; твердость по шкале Мооса 8,9 - 9,1. По твердости корунд уступает только алмазу, кубическому нитриду бора, карбиду бора и карбиду кремния. Промышленность выпускает следующие четыре разновидности элeктрокорунда, которые в зависимости от содержания двуокиси алюминия и примесей имеют различный цвет, структуру и свойства: * электрокорунд нормальный, содержащий в зерне 92 — 96% Аl203 и имеющий цвет от розового до темно-коричневого (синий, коричневый, малиновый и др.); * электрокорунд белый, содержащий 97 — 99% Аl203; * легированные электрокорунды, содержащие элементы, существенно изменяющие их свойства, например, титан, хром и др.; * монокорунды, содержащие 97 — 98% Аl203. 

Нормальный электрокорунд получают из бокситов методом восстановительной плавки в электропечах. По сравнению с другими электрокорундовыми материалами его наиболее часто применяют в промышленности. Плотность нормального электрокорунда составляет 3,9 г/см3. Микротвердость, колеблется в пределах 2000 — 2300 кгс/мм2. Высокая твердость и прочность зерен позволяют использовать электрокорунд для шлифования металлов. Кроме того, корунд имеет значительную вязкость, поэтому его применяют при выполнении работ с переменными нагрузками и при повышенных давлениях. Наиболее широкое применение в мировой практике нормальный электрокорунд находит при изготовлении обдирочного и шлифовального инструмента на органических связках и очень ограничено на керамических, в основном для ручных операций.  Большую часть шлифовальной шкурки и изделий из неё производят с использованием нормального электрокорунда.

Белый электрокорунд отличается высоким содержанием окиси алюминия (около 99%) при незначительном наличии других окислов. Микротвердость белого электрокорунда 2200 — 2600 кгс/мм2, плотность 3,95 г/см3. Вследствие высокой твердости, прочности и наличия острых кромок, зерна белого электрокорунда легко внедряются в заготовки из высокопрочных сплавов. Острые кромки зерен способствуют также меньшему нагреву обрабатываемых заготовок. Сырьем для выплавки белого электрокорунда является глинозем, представляющий собой окись алюминия с незначительным количеством примесей. Его получают из бокситов, нефелинов, каолинов и других продуктов. Абразивные инструменты и материалы из белого электрокорунда однородны и обладают хорошей самозатачиваемостью, а обработанные ими поверхности деталей отличаются низкой шероховатостью. Благодаря этим качествам из белого электрокорунда изготавливают абразивные инструменты, применяемые при прецизионном и скоростном шлифовании, для обработки заготовок из углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей.

Легированные электрокорунды обладают регулируемыми свойствами вследствие того, что в корунде содержатся различные элементы, образующие с ним твердые растворы. Свойства легированных корундов отличаются от обычных. Материал, выплавленный из глинозема с полуторной окисью титана, называется титанистым электрокорундом. Абразивная способность титанистого электрокорунда выше, чем нормального и белого электрокорунда при меньшей прочности и микротвердости. Хромистый электрокорунд марок получают из глинозема при выплавке с добавкой окиси хрома. По показателям абразивной способности, прочности и микротвердости хромистый и белый электрокорунды примерно одинаковы. Круги из легированных электрокорундов рекомендуется применять для шлифования заготовок из конструкционных и инструментальных (закаленных) сталей. Использовать инструменты из легированных электрокорундов для обработки заготовок из вязких сталей нецелесообразно. 

Монокорунд отличается от других электрокорундов большой чистотой, причем почти вся окись алюминия в монокорунде представлена корундом с зернами-монокристаллами. Монокорунд содержит не менее 97% Аl2O3 остальное примеси; плотность 3,97 г/см3. Монокорунд получают из бокситов методом окенсульфидной плавки, сущность которой заключается в сплавлении боксита с сернистым железом (пиритом) в присутствии восстановителя. По сравнению с нормальным и белым электрокорундами монокорунд обладает более высокими показателями: твердостью, механической прочностью и абразивной способностью. Изометричная форма зерен монокорунда и прочные острые кромки обеспечивают инструментам высокую режущую способность и хорошую самозатачиваемость. Монокорунд применяется для изготовления инструментов на керамической связке и шлифовальной шкурки, предназначенных для обработки заготовок из закаленных легированных, жаропрочных и кислотоупорных сталей и сплавов. 
Формокорунд, SG-абразивы, кубитрон и др. – абразивные материалы, состоящие из микрочастиц корунда (менее 5мкм), получаемые методами золь-гель технологии или корундовой спеченной керамики. Отличаются высокой режущей способностью и самозатачиваемостью. 

Из общемировой практики известно, что абразивные инструменты из электрокорунда используются при обработке материалов с высоким сопротивление разрыву (стали, ковкого чугуна, железа, латуни, бронзы). При обработке материалов с высоким сопротивлением разрыву (обдирка стальных отливок, поковок, проката, сталистых высокопрочных и отбеленных чугунов, ковкого чугуна, получистовая обработка различных деталей машин из углеродистых и легированных сталей в незакаленном и закаленном виде, марганцовистой бронзы, никелевых и алюминиевых сплавов и т.п.) рекомендуется применять абразивные инструменты из нормального и цирконевого электрокорундов, причём на органических связках. На керамической связке круги из нормального эелектрокорунда имеют склонность к прижогам. 
Для обработки вышеуказанных материалов преимущественно на получистовых и чистовых операциях, при профильном шлифовании и заточке инструментов из сталей следует применять шлифовальные круги из злектрокорунда белого на керамической связке.
Абразивные инструменты из электрокорунда белого применяются: 

-  при обработке закаленных деталей из углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, хромированных и нитрированных поверхностей;

-  при обработке тонких деталей и инструментов, когда отвод тепла, образующегося при шлифовании, затруднен (штампы, зубья шестерен, резьбовой инструмент, тонкие ножи и лезвия, стальные резцы, сверла, деревообрабатывающие ножи т.п.);

-  при обработке деталей (плоское, внутреннее и профильное шлифование) с большой площадью контакта между кругом и обрабатываемой поверхностью, сопровождающейся обильным теплообразованием;

-  при отделочном шлифовании (хонингование, суперфиниширование и т.п.).


Для шлифования деталей из цементированных, закаленных, азотированных и высоколегированных сталей с низкой теплопроводностью и теплоемкостью предпочтительно применять абразивные инструменты из монокорунда и спеченных абразивных материалов. Эти инструменты благодаря скалыванию мельчайших частиц зерен в процессе резания обладают высокой режущей способностью. За счет сохранения остроты режущих кромок снижаются потребляемая на резание мощность и соответственно нагрев обрабатываемой детали. Преимущества абразивных инструментов из монокорунда и спеченных абразивов проявляются в большей степени на операциях получистового и чистового шлифования, заточки режущих инструментов, шлифования тонких и длинных резьб, зубо- и шлицешлифования, шлифования колец подшипников. Однако, монокорунд в мире сейчас практически не выпускается для абразивного инструмента. Спечённые абразивы чрезвычайно дороги и используются как правило на прецезионных операциях.
Справка. Для обработки твердых материалов с низким сопротивлением разрыву (чугуна, бронзового и латунного литья, твердых сплавов, драгоценных камней, стекла, мрамора, гранита, фарфора, твердого каучука, кости и т.п.), а также мягких и вязких материалов (латуни, меди и т.д.), применяется абразивный инструмент из карбида кремния, который характеризуется более высокой твердостью и меньшими углами заострения зерен, чем инструмент из злектрокорунда.
Одним из ключевых параметров абразивного материала, в нашем случае электрокорунда является его зернистость, которая главным образом определяет вид обработки.

Зернистость абразивного материала

Вид обработки

F22 – F10 (80-320)

Обдирочные операции: зачистка заготовок, отливок, поковок, штамповочных деталей

F36 – F22 (50-80)

Плоское шлифование торцом круга, правка абразивного инструмента, отрезка

F46 – F36 (40-50)

Предварительное и комбинированное шлифование (предварительное и окончательное шлифование выполняется без съема изделия со станка), заточка режущего инструмента

F90 – F46 (16-40)

Чистовое шлифование, обработка профильных поверхностей, заточка мелкого инструмента, шлифование хрупких материалов

F180 – F100 (6-12)

Отделочное шлифование, доводка режущего инструмента, предварительное хонингование, заточка тонких лезвий

F220 - F180 (4-6)

Отделочное шлифование металлов, стекла, мрамора и т.п., резьбошлифовальние, чистовое шлифование

F230(М50) и мельче

Суперфиниширование, окончательное хонингование, доводка тонких лезвий и мерительных поверхностей калибров, резьбошлифование изделий с мелким шагом

Зернистость выбирается в зависимости от следующих факторов: 

- количества снимаемого при обработке материала;

-требуемого класса шероховатости и точности обработки поверхности;

-физических свойств обрабатываемого материала;

-требуемой в автоматическом цикле шлифования стойкости кругов между правками;

Крупнозернистые инструменты применяются 

-при обдирочных операциях с удалением больших припусков,

-при обработке материалов, которые вызывают заполнение пор круга, например при обработке латуни, меди, алюминия.

-  при большой площади контакта круга с обрабатываемой деталью (торцевое, внутреннне шлифование)

Средне- и мелкозернистые инструменты применяются для получения шероховатости Ra 0,32-0,03; при обработке закаленных сталей и твердых сплавов, при окончательном шлифовании, заточке и доводке инструментов; при высоких требованиях к точности обрабатываемого профиля детали.

С уменьшением размера абразивных зерен повышается их режущая способность за счет возрастания числа зерен на единице рабочей поверхности, уменьшения радиусов округления зерен, меньшего износа отдельных зерен. Однако уменьшение размера зерен приводит к значительному уменьшению пор круга, что вызывает необходимость снижения глубины шлифования и величины снимаемого на операции припуска. Чем мельче абразивные зерна в инструменте, тем меньше в единицу времени снимается материала с обрабатываемой детали. В настоящее время все более широкое применение находят абразивные инструменты так называемых промежуточных (F70, F54) зернистостей. Применение шлифкругов зернистостью F54, вместо шлифкругов зернистостью F46, позволяет повысить стойкость круга до 60% и снизить шероховатость поверхности. Таким образом, рациональное сочетание режима обработки, правки инструмента и его зернистости позволяет получать высокие точность и качество обработки поверхности, разную стойкость кругов между правками.


Рекомендации по выбору марки электрокорунда в шлифовальных кругах

     В предыдущем разделе подробно описаны свойства и использование в абразивном инструменте электрокорундовых материалов. Абсолютно понятно, что оптимальным материалом для обдирочных и предварительных операций стального проката и заготовок целесообразно применять круги из электрокорунда нормального.  Однозначно применение электрокорунда нормального при изготовлении абразивного инструмента на органической связке.
    Всё что касается получистовой, чистовой обработке шлифованием оптимальным является абразивный инструмент с использованием белого электрокорунда на керамической связке.
    Практика работающих предприятий показывает, что в условиях социалистической экономики, жесткого дефицита и централизованного распределения абразивного инструмента для предприятий, допускалось использование шлифовальных кругов на керамической связке с использованием электрокорунда нормального. При этом нормативной документацией предусматривались более низкие эксплуатационные показатели кругов и повышенные затраты на операциях шлифования. 
Так, в ГОСТе 2424-83, действующем на территории Украины, дана прямая ссылка на пониженные эксплуатационные показатели шлифовальных кругов связке с использованием электрокорунда нормального.  Согласно п. 2.14 эксплуатационные показатели качества кругов на керамической связке приведены только для электрокорунда белого марки 25А. В примечании к таблице 25 написано, что для кругов из нормального электрокорунда минимальное значение коэффициента шлифования должны быть умножены на 0,8.
В приложении А нового российского стандарта на шлифовальные круги   ГОСТР 52781-2007 показатели кругов на керамической связке из электрокорунда нормального вообще не предусмотрены. 
Учитывая то, что коэффициент шлифования - это характеристика производительности абразивного круга, выраженная величиной отношения объема отшлифованного металла к единице объема износа шлифовального круга (с учётом правки), он отражает многие аспекты абразивной обработки.
В первую очередь, коэффициент шлифования характеризует абразивную способность кругов и параметр производительности.  При определении этого коэффициента на конкретную операцию обработки подразумевается, что при обработке выдержаны геометрические размеры, обеспечены заданные параметры шероховатости и получена бездефектная поверхность (без прожогов) за счёт правильного подбора абразивного инструмента, СОЖ и режимов правки.  Понятно, что разница в 20% в величине коэффициента шлифования между кругами из белого и нормального электрокорунда отражает разницу во всех перечисленных показателях. 
Во вторую очередь, коэффициент шлифования - это экономический показатель работы абразивного инструмента. Не вызывает сомнения, что одним из основных элементов затрат в оценке себестоимости шлифовальной операции являются затраты, связанные с расходом шлифовальных кругов. В общем случае эти затраты складываются из стоимости объёма износа шлифовального круга, стоимости объема круга, снятого во время правки, стоимости самой правки и стоимости правящего (в основном алмазного) инструмента.  При этом нужно принимать во внимание затраты на замену шлифовальных кругов, цеховые и заводские расходы.
    Опыт ведущих мировых производителей подтверждает вышеприведенные тезисы. В каталогах ведущих европейских и американских производителей абразивного инструмента на керамической связке для обработки закаленных деталей из углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, хромированных и нитрированных поверхностей на получистовых и чистовых операциях, при профильном шлифовании и заточке инструментов из сталей рекомендуется применять шлифовальные круги из злектрокорунда белого на керамической связке.
Применение электрокорунда нормального у большинства ведущих производителей ограничивается абразивным инструментом на органических связках (бакелитовая, вулканитовая).
Таким образом, замена кругов из электрокорунда нормального на круги из белого корунда не практикуется в абразивной отрасли. Использование таких кругов снизит эксплуатационные показатели абразивного инструмента, понизит качество обработанной поверхности и повысит затраты на обработку как минимум на 20%
При разработке технологических процессов на операции шлифования следует руководствоваться требования действующего стандарта ГОСТ 2424-83. 

Автор:  Эсмантович С.Н.
Директор департамента технологий и инноваций
ООО» Торговый дом «Александр»
esmantovych@mail.ru

*скачать статью полностью в PDF - Скачать
Мы всегда рады Вам помочь!
Отправить запрос