Універсалізація відрізних кіл

До питання універсалізації відрізних кіл на бакелітовій зв'язці шляхом використання адаптивних наповнювачів

Відрізні кола на бакелітовій зв'язці з традиційних абразивних матеріалів для виконання операцій відрізки заготовок беззастережно є одним з найбільш затребуваних типів абразивного інструменту, зважаючи на свою доступність та ефективність. Відповідно, цей вид інструменту завжди буде предметом підвищеного попиту та об'єктом непримиренної конкуренції. А загальне, що поєднує для всіх користувачів бажання отримати дешеве, універсальне на всі випадки життя відрізне коло завжди буде предметом вишукувань та спекуляцій.

Як правило, всі виробники відрізних кіл використовують типові технології, обладнання та типовий перелік основних матеріалів, що використовуються, але це аж ніяк не означає, що якість у них буде рівнозначною. Більшість постачальників найбільш затребуваних відрізних кіл низького та середнього цінового сегмента декларують універсальні властивості цієї продукції, в розрахунку на недосконалість нормативної бази та обмежені можливості споживачів об'єктивно перевірити їхню якість. Критерієм оцінки, як правило, є ціна, зносостійкість чи продуктивність. На типових операціях, за умов підприємств, орієнтуються на досягнуті показники відрізних кіл певних виробників. У побуті орієнтуються на суб'єктивні відчуття, досвід експлуатації чи нав'язані стереотипи.

Нормативна база, а саме ДСТУ ГОСТ 21963:2003, що діє, не залишає сумніву в універсальності продукту під назвою «Відрізні кола на бакелітовій зв'язці». Вищенаведеним стандартом у пункті 1. («Область застосування») зазначено, що відрізні кола на бакелітовій зв'язці призначені для різання та прорізання металевих матеріалів та неметалічних матеріалів, а в маркуванні достатньо вказати: метал (М) або неметал (НМ). Стандартами інших країн виробники обмежені такими самими рамками. Це вводить в оману навіть фахівців, які хочуть розібратися у питанні вибору якісних відрізних кіл, використовуючи стандарти та маркування кіл, але при підборі, що підпадають під визначення метал, розуміють відносність терміна універсальне відрізне коло.

Для будь-якого спеціаліста-машинобудівника, верстатника, будівельника чи металурга зрозуміло, що під визначення «метал» потрапляє складна кількість матеріалів, що важко відтворюється. Враховуючи значне розмаїття властивостей матеріалів та різну оброблюваність, у верстатників прийнято 6 груп оброблюваності шліфуванням різних марок матеріалів (табл.1). У кожну групу входять матеріали, які створюють при обробці один тип навантаження на ріжуче зерно і тим самим визначають той самий тип зносу абразивного зерна.

Табл 1

Таку градацію прийнято не випадково. Хімічний склад металу, істотно впливає на якість різання, ступінь окислення стружки і якість поверхні, що розрізається. Наприклад, алюміній, кремній, нікель та ін здатні утворювати хімічно стійку плівку, збільшуючи стійкість сплавів до окислення. Навпаки, підвищення вмісту вуглецю знижує стійкість сплавів проти окислення і цим сприяє процесу утворення стружки і полегшує її видалення з кола. Таким чином, підвищення ступеня окиснення полегшує процес різання, а зниження ускладнює. Тому вуглецеві сталі, наприклад, краще ріжуться, ніж леговані конструкційні та інструментальні. Легують присадки сприяють утворенню в сталях карбідних сполук, підвищують їх твердість і температуру плавлення. Це підвищує рівень затуплення абразивних зерен, знижує стійкість відрізних кіл.

Важливе значення для процесу різання мають і фізико-механічні властивості матеріалу, що розрізається - теплопровідність і теплостійкість, міцність і в'язкість. Так, обробка сплавів з низькою теплопровідністю відбувається при високих температурах, що робить їх важкообробними. Висока міцність у поєднанні з великою в'язкістю також ускладнює процеси відрізки. Наприклад, сірий чавун шліфується і ріжеться колами значно легше, ніж вибілений або легований.

Крім того, експлуатаційні властивості абразивних матеріалів, що застосовуються у відрізних колах, значною мірою залежать від ступеня хімічної взаємодії абразивного матеріалу з оброблюваним матеріалом. Вона визначає сферу застосування абразивних матеріалів для різання тих чи інших матеріалів і залежить від хімічної стійкості матеріалів та взаємодії їх з оброблюваним матеріалом (табл. 2).

Табл. 2

Термостійкість абразивних матеріалів впливає на експлуатаційні показники кіл. Найбільшу термостійкість мають електрокорундові матеріали (1700-1900 ^оC), найменшу (700-800 ^оC) алмаз і карбід бору.

Другий момент, з якого поняття універсальності кіл ставиться під сумнів – марка абразивного матеріалу. Грунтуючись на наведених вище даних, складно помилитися з вибором матеріалу. Зрозуміло, що різати сталеву заготовку колами з алмазу чи карбіду кремнію не можна. У всіх випадках без винятку електрокорунд (нормальний, білий, цирконієвий) призначений для різання металів, а карбід кремнію для різання неметалів. Друге питання, що видів електрокорунду досить багато і на колах, що випускаються за ДСТУ ГОСТ 21963:2003, замарковано конкретну марку (наприклад, 14А, 13А, 25А, 38А, 54С), яка зобов'язує до чогось виробників. На колах деяких західних і особливо більшості східних виробників обмежуються маркуванням А, Z З, що передбачає широку гаму матеріалів, не завжди придатних для відрізних кіл.

Марка абразивного матеріалу є ключовим параметром, але без номера зернистості ні про що не говорить. Зернистість абразивного матеріалу з великою ймовірністю відобразить ріжучу здатність кіл, за умови, що виробник вказав реальну зернистість.

Не секрет, що чим більше зерно, тим краще ріжуча здатність і необхідність застосування різних зернистостей шліфувального матеріалу на колах різної товщини викликана не турботою про якість кола. Насправді, якщо в тонке коло, товщиною 1 мм покласти шліфзерно розміром 1 мм, то це шліфзерно зруйнується при формуванні заготовок, у колі не буде великого абразиву, а зруйновані зерна не будуть закріплені у сполучному. Існує пряма залежність між товщиною кола та зернистістю і будь-які відхилення від технічно обґрунтованої зернистості повинні насторожити споживача кіл. Як правило, дрібніший номер зернистості виробники використовують для підвищення стійкості кола, на шкоду його ріжучою здатністю. А іноді з метою економії «козирних» номерів зернистості, якими є F24, F30, F36, використовують суміжні номери, які на 15-20 відсотків дешевші.

Як ілюстрацію типового застосування абразивних матеріалів та їх зернистості для відрізних кіл можна запропонувати дані нижченаведеної таблиці 3:

Табл. 3

Експлуатаційні параметри відрізних кіл є похідними безлічі показників, передбачених стандартом. Перевірити нескладно зовнішній діаметр, висоту кола та її нерівномірність. Складніше перевірити радіальне та торцеве биття, неврівноваженість кола (дисбаланс). Ці показники, як мінімум, покажуть рівень виробника та відповідність стандарту. У більшості кіл дешевого цінового сегмента з цими показниками будуть невідповідності. Шановні виробники відрізних кіл не дозволять відхилення від стандартів. Але інші важливі параметри відрізного кола перевірити користувачеві складно.

Так, твердість відрізного кола для більшої частини виробників більший за показник розрахунковий або декларований. Для підприємств, що випускають продукцію за ДСТУ ГОСТ21963:2003, передбачено перевірку твердості приладами «Звук». Але вибірка кіл для перевірки незначна та реальна твердість більше залежить від рецепту та технології. Понад те, на маркуванні виробники вказують розбіг твердості, який передбачить всі витрати технології (ЗІ 37-43 або від З до ЧТ). Європейські виробники взагалі не перевіряють кола за твердістю та маркують рецептурну, але цій твердості можна довіряти, на відміну від азіатських виробників. Таким чином, на маркування твердості можна орієнтуватися тільки на колах солідних виробників.

Такий найважливіший показник як структура кола ДСТУ ГОСТ21963:2003 взагалі скасовано. Провідні закордонні виробники теж не балують користувача маркуванням цього параметра.

Тема сполучних компонентів для відрізних кіл досить багатогранна. Всі виробники, без винятку, використовують бакелітову зв'язку, що складається з сухого фенольного сполучного (пульвербакеліту) і рідкого фенольного сполучного. Марок фенольних сполучних лише абразивного застосування сотні, але які сполучні застосовувати вирішує виробник. При цьому виробники смол детально описують свою продукцію та дають конкретні рекомендації виробникам відрізки. Але для одних виробників вирішальним фактором приймається міцність, якість кола, для інших – вартість. Споживач це не перевірить. У відрізних колах із якісними смолами запас міцності буде потрійний, а на дешевих смолах ризик розриву кола 50х50. Термін придатності кіл безпосередньо залежить від смоли, тому різниця у вартості якісних та неякісних смол досягає 3-х разів.

Для регулювання властивостей сполучного застосовуються тонкодисперсні наповнювачі, як правило, неорганічні, які використовуються в смоляній матриці для збільшення рівня міцності, теплостійкості, удароміцності та технологічності при виготовленні кіл.

Наповнювачі класифікуються за чотирма групами:

– ендотермічні наповнювачі, що хімічно активні при шліфуванні;

– наповнювачі, хімічно активні при затвердінні сполучного;

– неактивні (інертні) наповнювачі, що збільшують міцність та зносостійкість кіл.

- наповнювачі, що підвищують температурну межу термічної деструкції сполучного та підвищують ефективну твердість.

Вплив та активність наповнювачів питання досить полемічне, за кількістю наповнювачів думок та трактувань достатньо.

Матеріал активного ендотермічного наповнювача вибирається із групи, що складається з кріолітів, піриту, сульфідів, хлоридів, оксидів з низькою температурою плавлення та їх поєднань. Найчастіше використовуються: кріоліт синтетичний (АlF3•nNaF), пірит (залізний колчедан FeS2), фтороборат калію (КВF4), сульфід цинку (ZnS), сульфід сурми (Sb2S5), хлорид свинцю (РbCl2), хлориди і сульфати.

Хімічно активні наповнювачі та пари сірки та/або галогенів потрапляють у зону різання та полегшують різання нержавіючих та легованих сталей. Вміст сірки та галогенів у перерахованих матеріалах сприяє покращенню шліфування металів, особливо легованих сталей.

Менш важливі вони при різанні вуглецевих сталей і марні при шліфуванні кольорових металів та неметалічних матеріалів.

До наповнювачів, що сприяють затвердінню сполучного, відносяться оксиди лужних металів, таких як оксид кальцію СаО (вапно) і оксид магнію МgО використовують для прискорення затвердіння фенольних смол і абсорбції води, що утворюється при реакції затвердіння. Ці матеріали використовуються у відрізних колах високої структури та щільності, особливо з використанням водомістких фенольних смол.

Гашене вапно Са(ОН)2 сприяє зміцненню зв'язки та підвищенню її теплостійкості, але робить її крихкою.

Як інертні наповнювачі використовуються тонкодисперсні нерганічні матеріали, що підвищують експлуатаційні характеристики відрізних кіл, що забезпечують «каркасність» полімерної композиції, що покращують технологічність формувальних сумішей. Це тонкоподрібнені шліфувальні порошки різних марок абразивних матеріалів (в основному SiC), мелений шамот, польовий шпат, вапняк, крейда, кам'яне (бутове) борошно і т.д.

Підвищують температурну межу термічної деструкції сполучного цілий ряд наповнювачів з перерахованих вище груп, наприклад, Са(ОН)2 і мікропорошки SiC.

У дешевих колах використовують найдешевші наповнювачі, зокрема відходи виробництв, у разі не канцерогенні.

Ще один важливий показник, що забезпечує безпеку відрізних кіл, це механічна міцність, яка в колах із робочою швидкістю понад 50м/с забезпечується армуванням кола спеціальною склосіткою. Про наявність армуючої склосітки в маркуванні будь-якого виробника повідомить літерний символ F, який поєднаний з маркуванням сполучного (F). Цей символ також не несе інформації про кількість дисків зі склосітки, їх щільність і т.д. Один із головних елементів безпеки відрізного кола відданий на відкуп порядності виробника. Можна для кола діаметром 230мм завтовшки 2,5мм використовувати склосітку щільністю 290г/см², а можна 180г/см², що не заборонено діючими стандартами. Для виробництва відрізних кіл використовують склосітка не в чистому вигляді, а покрита смолами, аналогічними тим, що використовують для виготовлення кіл. Це робиться для отримання максимальної адгезії між сіткою та сполучною. Склад просочення для склосітки також має багатоваріантність і за якістю, і за вартістю. Різниця у вартості згаданих дисків із склосітки до 4-х разів. Застосування щільної та якісної склосітки практично виключає ризик для працівника, якщо всі інші небезпечні фактори відсутні. Якщо на великих підприємствах, на яких ще не забули вимоги стандартів, відрізні кола перед роботою перевіряються на хутро. міцність на випробувальних верстатах і унеможливлюють розрив кола під час різання, то для побутових користувачів така можливість виключена.

Таким чином виходить, що, купуючи відрізні кола навіть, випущені за чинним державним стандартом, неможливо встановити ні твердість, ні структуру, ні зернистість. Якість сполучних компонентів, наповнювачів та армуючих елементів не регламентується. Користувачеві пропонується знеособлене відрізне коло з призначенням метал-неметал та назвою бренду чи марки, які не завжди ідентифікують виробника. Універсальний тому, що альтернативи більшість виробників не надають.

У ситуації провідні світові виробники пропонують, крім «універсальної лінійки» відрізних кіл дешевого цінового сегмента, кола професійної серії, дорогі відрізні кола під конкретні операції, і матеріали, причому актуалізовані під групи оброблюваності, наведені у таблиці 1.

І все ж ідея отримати відрізне коло «по металу» з універсальними властивостями опрацьовувалася практично всіма дослідницькими центрами в області абразивів. На прикладі відрізних кіл універсальної серії дуже шанованих виробників можна констатувати, що дослідження дають результати, але вартість відрізних кіл перебуває у дорогому ціновому сегменті. Основний ефект отримано рахунок використання абразивних матеріалів нового покоління та ефективних смол. Але є альтернатива.

Як про одне з останніх досягнень у галузі виробництва відрізних кіл «для металу» можна поінформувати про нову 3S технологію, розроблену для абразивних підприємств Європейського Союзу, яка базується на застосуванні системи адаптивних наповнювачів та фенольних смол нового покоління. В основу прийнято ідею створення механізму управління властивостями відрізного кола, враховуючи такі фактори:

1. Хімічний склад і, відповідно, марка металу, істотно впливає на якість різання, ступінь окислення стружки і якість поверхні, що розрізається.

2. З підвищенням температури у зоні різання твердість абразивних матеріалів знижується. Наприклад, при нагріванні електрокорунду нормального марки 14А від 20 до 1000° його мікротвердість знижується від 19 800 до 5880 МН/м². Тому при температурі більше 1000 ° С ефективність різання падає і втрачається сенс «утримування різального зерна». Керована ерозія (деструкція) сполучного дозволить керувати процесом оновлення зерен.

3. Реакція між фторалюмінатом натрію (кріолітом), з одного боку, і гідратованим оксидом, і карбонатом кальцію, з іншого, різко прискорюється в інтервалі температур 600...800° З і забезпечує підвищення ефективності шліфування за рахунок ослаблення зв'язки в граничному шарі оголення ріжучих кромок зерен, утворення хімічно активного газо-рідинного охолоджуючого середовища, захисту органічного сполучного від термоокислювальної деструкції. Крім того, кріоліт у зоні різання утворює плавикову кислоту (НF), яка при певній кількості та концентрації активно взаємодіє з вуглецевою сталлю та корродує поверхню різання. Чавун, наприклад, роз'їдається плавиковою кислотою будь-якої концентрації. За рахунок цього практично запобігає ефекту «кепування» абразивних зерен.

4. Ключова роль в управлінні властивостями сполучного заснована на реакції розкладання піриту, яка супроводжується реакціями обміну з кальцієвмісними наповнювачами за участю кисню повітря і збігається за температурним інтервалом з термоокислювальною деструкцією сполучного. Крім того, при температурі більше 400оС, пірит перетворюється на оксид заліза та двоокис сірки (FeS2+ О2 = Fe2O3 + SO2). SО2 як «захисний газ» запобігає термічному окисленню фенольного сполучного.

5. У комплексі наповнювачі регулюють процес різання за рахунок високо ендотермічної реакції, що допомагає при різанні розсіювати тепло з поверхні сполучення між абразивними зернами і металом, що розрізається.

6. Властивістю активних наповнювачів можна керувати тільки за їх оптимальної кількості у складі сполучного, що не знижують його міцності. У відрізних колах «низьких» структур дія наповнювачів малоефективна з огляду на їх недостатню кількість.

Таким чином, вибір рецептів відрізних кіл за технологією 3S базується на розумінні фізико-хімічних процесів взаємодії всіх компонентів зв'язки, послідовності та кінетики фазоутворення та їх впливу на властивості відрізних кіл як на стадії виготовлення, так і в процесі експлуатації в умовах знакозмінного термічного впливу.

Описаний механізм реалізується рахунок застосування відрізних кіл структури 10 і від з об'ємним змістом сполучного понад 40%. Наповнювачі становлять до 45% обсягу зв'язування. Це дозволяє в процесі різання в діапазоні контактних температур від 400° до 1000° З зберігати різальні властивості відрізного кола. Кожен наповнювач активний у своєму діапазоні температур та його кількість оптимальна.

Як ілюстрацію ефективності відрізних кіл за технологією 3S можна прийняти результати порівняльних експлуатаційних випробувань, наведені в табл.4. Для порівняння випробовувалися кола провідного європейського виробника структури 7 та твердості R та досвідчені відрізні кола структури 10 та твердості Т з адаптивними наповнювачами.

Табл.4

Результати порівняльних випробувань показують, що хороші відрізні кола структури 7 зі стандартним наповненням, при зміні марки стали більш важкооброблювані, мають тенденцію до зниження основних експлуатаційних показників. Кола з адаптивними наповнювачами забезпечують стабільні показники та, відповідно, універсальність.

Найближчим часом відрізні кола за технологією 3S з'являться на ринку України.

Бібліографічний список:

1. Морозова А.Г. Вплив хімічно активних наповнювачів на процес формування та експлуатації абразивного інструменту.

Процеси абразивної обробки, абразивні інструменти та матеріали. Шліфабразів - 1999: Тез. доп. міжнар. наук.-техн. конф. - Волгоград: Волзький. - С.6 - 11.

2. Морозова А.Г. Взаємодія фторалюмінатів з гідратованим оксидом та карбонатом кальцію: Автореф. … канд.хім.наук. - Свердловськ. Вид-во УПІ, 1986. - 18 с.

3. Любомудров В.М., Васильєв Н.М., Фальковський Б.М. Абразивні інструменти та їх виготовлення. - М.: Машгіз, 1953

4. Райт В.В. Наповнювачі, які застосовуються при виробництві абразивного інструменту на бакелітовій зв'язці та розрахунок рецептури формувальних сумішей. Збірник наукових праць - Челябінськ: Видавництво ЮурГУ, 2002.-183с

Автор: Сергій Есмантович