Абразивный материал для шлифования цилиндрической поверхности детали

§ 22. Шлифование

Шлифование представляет собой процесс резания металлов, при котором зерна режущего инструмента – шлифовального круга или бруска – срезают мельчайшие слои металла (стружки). Небольшое сечение срезаемого слоя и высокая скорость резания при шлифовании обеспечивают получение деталей с точностью обработки до 2-1-го класса и чистотой обработанной поверхности 7-9-го класса.

Как правило, шлифование является отделочным видом обработки деталей из цветных металлов и сталей как в незакаленном, так и в закаленном состоянии. Однако во многих случаях шлифование с успехом применяют для предварительной обработки. Например, шлифованием заменяют фрезерование тонких плоских заготовок и особенно тогда, когда необходимо получить хорошую плоскостность и параллельность сторон. Шлифованием удаляются неровности (остатки литников и выпоров) на литейных заготовках.

Шлифовальные инструменты характеризуются видом шлифующего материала, связкой, твердостью и структурой.

Шлифовальные материалы – зерна делятся на две группы: естественные и искусственные. К естественным материалам относят минералы: алмаз, корунд, наждак. К искусственным материалам относят: электрокорунд, карборунд (карбид кремния), карбид бора, синтетический алмаз, боразон (кубический нитрид бора).

Естественный корунд и наждак в настоящее время почти не применяют, так как по качеству они во многом уступают электрокорунду. Электрокорунд представляет собой кристаллическую окись алюминия, получаемую при плавке бокситов (руда окиси алюминия) в электропечах. При температуре 2200-2400° С из бокситов выделяются примеси, а окись алюминия кристаллизуется, образуя зерна с острыми кромками. В хороших сортах электрокорунда содержится до 99% кристаллической окиси алюминия (Аl₂O₃). Электрокорунд по твердости уступает только карборунду, карбиду бора и алмазу. Шлифовальные инструменты из электрокорунда применяют для обработки металлов (сталь, ковкий чугун и др.) с высоким пределом прочности при разрыве.

Карборунд является химическим соединением кремния и углерода (SiC). По твердости он уступает только карбиду бора и алмазу. Карборунд бывает двух видов: черный КЧ, содержащий не менее 95% SiC, и зеленый КЗ, содержащий не менее 97% SiC. Шлифовальные инструменты из карборунда применяют для обработки металлов и сплавов с небольшим пределом прочности при разрыве (чугун, бронзовое и алюминиевое литье, металлокерамические твердые сплавы и др.). Зеленый карборунд применяют главным образом для заточки режущих инструментов, оснащенных твердыми сплавами.

Карбид бора (В₄С) является химическим соединением бора с углеродом. Карбид бора наряду с алмазом применяют для доводки режущих инструментов, оснащенных твердыми сплавами, и отверстий малых диаметров.

Боразон – кубический нитрид бора (BN) является отечественным сверхтвердым шлифовальным материалом. Алмазообразная кристаллическая структура дает боразону свойства, близкие к свойствам естественного алмаза (твердость и абразивная способность). Инструменты из боразона применяют для обработки жаропрочных, нержавеющих и других высоколегированных сталей и сплавов аустенитного класса, а также для шлифования, разрезки и доводки деталей из керамики.

Зернистость шлифовальных инструментов обозначается числом (номером), характеризующим величину абразивных зерен. Чем выше номер зернистости круга, тем больше размеры зерен. В зависимости от размеров зерен (от 3 до 2500 мк) ГОСТом 3647-59 установлены номера зернистости 200-М5. Зерно наибольшего размера имеет номер 200, наименьшего – М5. Материалы номеров 200-16 называют шлифзерном, номеров 12-3 – шлифпорошками, номеров М40-М5 – микропорошками. Для предварительного шлифования применяют более производительные крупнозернистые абразивные материалы, для окончательного шлифования – мелкозернистые.

Связки – связывающие или цементирующие вещества – применяют для соединения зерен в шлифовальный инструмент. В машиностроении и приборостроении наибольшее распространение получили шлифовальные инструменты, изготовленные на вулканитовой (органической) и керамической (неорганической) связках. Вулканитовая связка (В) состоит из каучука и серы. Вулканитовые круги эластичны, не боятся влаги и могут работать на окружных скоростях до 75 м/сек. Их широко применяют для шлифования пазов небольшой ширины, разрезки и надрезки стальных деталей в закаленном состоянии (цанги, различного рода втулки и т. п.). Керамическую (К) связку изготовляют из огнеупорной глины, полевого шпата, кварца, мела, талька и жидкого стекла. Керамические круги обладают высокой производительностью, не боятся влаги, хорошо сохраняют профиль режущих кромок, что очень важно для таких видов работ, как резьбо- и зубошлифование, шлифование фасонных поверхностей и т. п. Недостатком керамических кругов является их хрупкость, а следовательно, чувствительность к ударным и переменным нагрузкам.

В настоящее время применяют керамические связки повышенной прочности, изготовление которых освоено в Советском Союзе. Шлифовальные круги, изготовленные на этих связках, допускают окружные скорости до 50 м/сек и значительно производительнее обычных керамических кругов.

Твердостью шлифовального инструмента называется способность связки удерживать зерна от выкрашивания их из инструмента при воздействии на него внешних сил. Чем легче выкрашиваются зерна, тем мягче считается шлифовальный инструмент. От твердости круга в основном зависят производительность и качество обработки. При неправильном подборе твердости круга возможно появление "прижогов" на поверхности шлифуемой детали, что может привести к температурным деформациям и снижению точности обработки. Слишком твердый круг будет быстро "засаливаться" – в его поры будет забиваться мелкая пылевидная стружка, а затупившиеся зерна не смогут выкрашиваться, так как связка их прочно удерживает. Инструмент фактически притупился, и работа таким инструментом приведет к интенсивному тепловыделению и ухудшению качества детали. Слишком мягкий круг будет быстро "осыпаться" – зерна легко выкрашиваются, быстро теряется форма режущих кромок. В обоих случаях нужно шлифовальный инструмент часто править (затачивать), чтобы восстановить его остроту, форму и размеры.

Основным правилом выбора круга по твердости является следующее: чем выше твердость обрабатываемого материала, тем мягче должен быть круг. Однако для очень мягких металлов (медь, алюминий) необходимо применять мягкие круги, во избежание быстрого засаливания.

Степень твердости шлифовальных инструментов обозначается буквами и цифрами * : мягкие – M1, М2, М3, среднетвердые – СТ1, СТ2, СТ3 и др.

* ( Цифры 1, 2 и 3 в обозначениях твердости соответственно указывают на ее возрастание.)

Структура шлифовального инструмента характеризует его плотность, т. е. количественное соотношение объемов зерен, связки и пор. Различают 12 номеров структур (1-12), которые делят на три группы: плотные (1-4), среднеплотные (5-8) и открытые (9-12). Увеличению номера структуры соответствует увеличение пористости круга. Круги с плотной структурой применяют для чистового и фасонного шлифования. Для большинства шлифовальных работ применяют круги со среднеплотной структурой. Круги с открытой структурой применяют для шлифования вязких и мягких металлов.

Шлифовальный инструмент выпускают в виде шлифовальных кругов (плоские, чашечные цилиндрические и конические, тарельчатые и др.), сегментов различного профиля, шлифовальных брусков и шкурок * шлифовальных головок – наконечников и различного рода паст. Пасты применяют для доводки режущих инструментов и отдельных деталей машин и приборов. Например, в оптико-механической промышленности производится доводка (притирка) многозаходной окулярной резьбы, что обеспечивает плавный ход окуляров. Завод-изготовитель маркирует шлифовальный инструмент с указанием всех показателей, характеризующих инструмент. Например, марка ЭБ25МЗК8 означает электрокорунд белый, зернистостью 25, твердостью М3, связка керамическая, структура № 8.

* ( Шлифовальные шкурки представляют собой бумагу или хлопчатобумажные ткани, на которые наклеиваются шлифующие зерна. Шкурки применяют для ручной и машинной отделки различных деталей.)

Для обеспечения высокого качества обработки и исключения разрывов шлифовальные круги балансируют (уравновешивают) и испытывают на прочность вращением со скоростью, превышающей в 1,5 раза скорость вращения круга при эксплуатации.

Для исключения травматизма при разрыве круга во время работы он должен быть огражден прочным защитным кожухом.

Основными видами шлифования являются: наружное круглое; внутреннее круглое; бесцентровое наружное и внутреннее; специальные – резьбошлифование, зубошлифование, хонингование, суперфиниширование и др.

Рис. 104. Виды шлифования: а – наружное круглое; б – внутреннее

Наружное круглое шлифование, как правило, производят в центрах шлифовального станка: оно предназначено для обработки цилиндрических, конических, торцовых и фасонных наружных поверхностей. Наружное круглое шлифование с продольной подачей (рис. 104, а) осуществляют при вращательном движении шлифовального круга v_k, вращательном движении заготовки v, непрерывном возвратно-поступательном движении заготовки s_n (продольная подача) и периодическом поступательном движении шлифовального круга s_p (установочная радиальная подача).

Глубиной резания является слой металла, снимаемый шлифовальным кругом за один продольный ход заготовки:

Глубина резания определяется величиной радиальной (поперечной) подачи s_p, которая может производиться один раз за каждый ход или один раз за двойной ход. В последнем случае во время холостого хода (шлифование без радиальной подачи s_p) происходит выглаживание обработанной поверхности и повышение точности обработки. При чистовом шлифовании после снятия всего припуска совершается несколько холостых ходов без поперечной подачи – "выхаживание", в процессе которого уменьшаются погрешности, вызываемые отжимом заготовки и неравномерным выкрашиванием шлифовальных зерен. При предварительном шлифовании рекомендуется t = 0,01÷0,025 мм, а при окончательном t = 0,005÷0,015 мм.

Продольной подачей s_n называется величина осевого перемещения заготовки за ее один оборот. Эту подачу принято выражать в долях ширины круга s_д, следовательно, s_n = s_дB_K мм/об. Для предварительного шлифования s_д = 0,3÷0,8, а для окончательного шлифования s_д = 0,2÷0,4.

Скорость вращения заготовки

где D – диаметр заготовки в мм;

n – число оборотов заготовки в минуту.

Скоростью резания считается линейная скорость шлифовального круга

где D_к – диаметр шлифовального круга в мм;

n_к – число оборотов шлифовального круга в минуту.

Скорость вращения заготовки v = 15÷30 м/мин, скорость вращения шлифовального круга v_K = 20÷35 м/сек, т. е. v_K ≈ (60÷100) v.

Наружное круглое шлифование можно также производить с поперечной подачей методом врезания. При этом методе ширина круга должна быть больше длины шлифуемой поверхности, поперечная подача круга осуществляется непрерывно, пока не будет снят весь припуск на шлифование. При шлифовании цилиндрических поверхностей производится также продольное перемещение заготовки, что обеспечивает равномерный износ круга по всей образующей, а также хорошее качество и точность обработанной поверхности. Этим же методом производят шлифование фасонных поверхностей шлифовальным кругом соответствующего профиля (продольное перемещение заготовки не производится).

Внутреннее круглое шлифование (рис. 104, б) предназначено для обработки цилиндрических и конических отверстий, а также торцовых поверхностей. Шлифуемые заготовки закрепляют в кулачковых или цанговых патронах. Заготовка имеет вращательное движение v, шлифовальный круг – вращательное движение v_k, непрерывную продольную подачу s_n и периодическую радиальную подачу s_p. Для получения необходимой скорости круга v_K диаметр круга должен быть возможно большим, поэтому рекомендуется D_K = (0,7÷0,9)D (D_K – диаметр круга, D – диаметр заготовки в мм).

Рис. 105. Схема бесцентрового наружного шлифования

Бесцентровое наружное круглое шлифование может производиться двумя методами: на проход и врезанием. Бесцентровое наружное шлифование на проход (рис. 105) предназначено для шлифования цилиндрических заготовок, главным образом длинных, которые невозможно шлифовать в центрах. Заготовку 2 устанавливают на опорный нож 4 и пропускают между шлифовальным кругом 1 и ведущим (направляющим) кругом 3. Расстояние между кругами равно D-2t (D – диаметр заготовки, t – глубина резания в мм).

Шлифовальный круг, изготовляемый на керамической связке, вращается со скоростью 25-35 м/сек; ведущий круг изготовляют на вулканитовой связке, что повышает сцепляемость круга с заготовкой и обеспечивает их обкатку почти без проскальзывания. Скорость ведущего круга v_в.к = 20÷50 м/мин. Шлифовальный круг, имея значительно большую скорость, чем ведущий круг и заготовка, проскальзывает относительно заготовки и шлифует ее. Для создания продольной подачи s ведущий круг поворачивается относительно шлифовального на угол γ = 1÷4°. Скорость вращения заготовки v = v_в.кcos γ, так как cos γ ≈ 1, то v≈v_{в. к}. Величина продольной подачи заготовки s = v_в.к sin γ. Из этой формулы видно, что при определенной скорости ведущего круга v_{в. к} подача s будет больше с увеличением угла скрещивания осей кругов у. С увеличением подачи s повышается производительность обработки, но увеличивается шероховатость обработанной поверхности. Следовательно, для предварительного шлифования угол у должен быть больше, а для окончательного шлифования меньше.

Для шлифования заготовок с буртиками, или имеющих наружные конические или фасонные поверхности, применяют бесцентровое шлифование методом врезания (сближение кругов в результате поперечной подачи ведущего круга). Круги должны быть шире длины шлифуемой поверхности, и иметь соответствующий профиль.

Бесцентровое внутреннее шлифование обеспечивает хорошую концентричность шлифуемого отверстия с наружной цилиндрической поверхностью. Шлифование производят кругом, находящимся в отверстии заготовки, направление и вращение заготовки осуществляется наружными ведущими роликами.

Рис. 106. Схема плоского шлифования периферией круга: а – на станке с круглым столом; б – на станке с прямоугольным столом: 1 – заготовки; 2 – стол; 3 – шлифовальный круг

Плоское шлифование предназначено для обработки плоскостей и может производиться периферией (рис. 106, а и б) или торцом круга (рис. 107, а и б). Плоскошлифовальные станки бывают с прямоугольным или круглым столом. Круглые столы обычно представляют собой электромагнитные плиты, на которые устанавливают заготовки. На плоскошлифовальных станках с прямоугольным столом заготовки устанавливают на специальных электромагнитных плитах, которые, в свою очередь, закрепляют на столе станка. В обоих случаях при пропускании постоянного тока через катушки электромагнита заготовки удерживаются им настолько прочно, что можно успешно производить шлифование.

Применение электромагнитных плит и столов дает возможность одновременно шлифовать несколько заготовок и значительно уменьшает время на закрепление и освобождение деталей из стали и других сплавов, которые могут намагничиваться.

При шлифовании на плоскошлифовальных станках с прямоугольным столом круг осуществляет вращательное движение со скоростью v_K, а заготовки вместе со столом совершают возвратно-поступательное движение со скоростью v. Если ширина круга (рис. 106, б) или его диаметр (рис. 107, а) меньше ширины обрабатываемой поверхности, то в конце каждого хода стола производится периодическая поперечная подача s круга или стола с заготовками. Для снятия всего припуска, оставленного на шлифование, шлифовальному кругу сообщается вертикальная подача s_в в конце прохода всей ширины заготовки или суммарной ширины при одновременной обработке нескольких заготовок (величина s_в равна глубине резания t).

Рис. 107. Схема плоского шлифования торцом круга: а – на станке с прямоугольным столом; б – на станке с круглым столом: 1 – заготовки; 2 – стол; 3 – шлифовальный круг

При шлифовании на плоскошлифовальных станках с круглым столом (рис. 106, а и 107, б), кроме круга, вращаются и заготовки со столом станка со скоростью v. Для снятия всего припуска кругу дается периодическая вертикальная подача s_в. Если размер заготовки не перекрывается шириной шлифовального круга, то кругу сообщается его подача s.

Традиция использовать абразивы уходит корнями в далекое прошлое. Индейцы майя, еще в девятом веке до нашей эры, для того, чтобы украсить зубы драгоценными вставками, просверливали в них отверстия, вращая полую трубочку с нанесенным на нее мелко истолченным в воде кварцем. Это одно из первых документальных свидетельств применения абразивных технологий. Сегодня же область использования абразивов и вовсе необъятна: от каждодневной чистки зубов до высокого искусства балета, воздушные балерины – и те не могут обойтись без абразивов, пуанты необходимо шлифовать.

Виды абразивных материалов

Абразивные материалы делятся по твердости (сверхтвердые, твердые, мягкие), химическому составу и величине шлифзерна (крупные или грубые, средние, тонкие, особо тонкие), величина зерна измеряется в микрометрах (мк) и мешах(mesh), величине более распространенной в мире.

Абразивы – это твердые мелкие частицы, используемые в свободном или связанном виде для механической обработки изделий. Принцип их действия заключается в удалении материала обрабатываемой поверхности острыми выступами абразива. При этом от абразивных частиц, имеющих, как правило, кристаллическую структуру, откалываются микроскопические крупицы, образуя новые рабочие кромки. Основные характеристики абразивных материалов – микротвердость, механическая прочность, хрупкость и размер зерна.

Материалом для изготовления абразивов могут быть как продукты природного происхождения, так и искусственно созданные. Искусственные применяются шире, отчасти из-за химического состава и физико-механических свойств. Из большого списка искусственных абразивов широкое распространение получили синтетический алмаз, карбиды бора и кремния, кубический нитрид бора (торговая марка – эльбор), электрокорундовые материалы.

Особое значение имеют сверхтвердые абразивные материалы, к которым относятся алмаз и кубический нитрид бора. Инструменты из алмаза эффективны при обработке хрупких и высокотвердых материалов, при чистовом шлифовании, заточке и доводке твердосплавных режущих инструментов, хонинговании. Однако для алмазного инструмента есть ограничение: при обработке сталей происходит диффузионный износ шлифовального зерна, так как углерод из алмаза отбирается сталью. Поэтому стали обрабатываются инертным для них эльбором. В свою очередь, эльбор вступает в химическую реакцию с твердыми сплавами, – здесь необходимы алмазные абразивы.

Производство абразивных материалов

В настоящее время абразивные материалы добываются и производятся синтетически, причем новые синтетические материалы, как правило, более эффективны, чем природные.

Абразивные материалы бывают двух видов по происхождению:

Природные абразивные материалы

Алмаз: Алмазоподобная кубическая аллотропическая форма элементарного углерода, добывается в коренных (кимберлитовые трубки) и россыпных месторождениях.
Корунд: Кристаллический оксид алюминия, то же и сапфир, добывается в россыпях и иногда в рудах.
Гранат: Природный минерал:
Наждак: Природный минерал, состоит из: корунда и магнетита – черного магнитного оксида железа Fe3O4
Кварц: Кристаллическая двуокись кремния, один из наиболее дешевых и доступных абразивных материалов.
Мел: Карбонат кальция, для тонких видов абразивной обработки(притирка, полирование).

Синтетические абразивные материалы

Искусственный алмаз: Синтез при высоком давлении, обработка твердых сплавов, камня, стекла, цветных металлов.
Нитрид бора (боразон): Синтез при высоком давлении, обработка твердых сплавов, камня, черных металлов.
Сплав бор-углерод-кремний: Сплавление бора с углеродом и кремнием в дуговой печи, обработка черных, и цветных металлов, камня, стекла и др.
Карбид бора: обработка твердых сплавов, стекла, черных металлов.
Карбид кремния: обработка твердых сплавов, цветных металлов и титана.
Нитрид кремния: обработка черных и цветных металлов.
Нитрид алюминия: обработка металлов.
Электрокорунд: обработка черных металлов, изредка камня и стекла.
Оксид циркония(фианит): обработка черных и цветных металлов.
Двуокись церия: обработка стекла (полирит).
Двуокись олова: обработка стекла, полирование металлов.
Окись хрома: полирование черных и цветных металлов.
Двуокись титана: полирование цветных металлов.

Новые перспективные абразивные материалы:

Нитрид углерода
Сплав карбид титана-карбид скандия

Применение абразивных материалов и виды абразивной обработки

Абразивные материалы с успехом применяются в следующих видах абразивной обработки:

Шлифование круглое: обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий
Шлифование плоское: обработка плоскостей и сопряженных плоских поверхностей
Шлифование безцентровое кругами:обработка в крупносерийном производстве наружных и внутренних поверхностей (валы, обоймы подшипников и др)
Шлифование безцентровое лентой: наружные поверхности, в том числе сложные профили
Шлифование лентой сложных профилей: например шлифование лопаток турбин
Отрезание и разрезание заготовок: заготовительное и монтажное производство, демонтаж конструкций
Притирка: абразивное притирание поверхностей (например седло и игла дизельной форсунки)
Гидроабразивная обработка: струйная и галтование (отливки, паковки, метизы и др)
Пескоструйная обработка: сглаживание поверхностей и очистка отливок и поковок
Ультразвуковая обработка: пробивка отверстий в твердых сплавах, извлечение сломанного инструмента, штампы
Хонингование: обработка отверстий большого диаметра (цилиндры двигателей, насосов и др)
Полирование: окончательное придание зеркального блеска изделиям (чистота поверхности высокая)
Суперфиниширование: окончательное придание наружным, внутренним и сложным профилям высочайшей точности и чистоты поверхности, в том числе алмазное суперфиниширование (точные механизмы, инструмент, детали особо точных приборов, инструментов, оружия и т.д).

Абразивные инструменты принято делить на три вида : гибкие, жесткие и инструменты в виде свободных абразивов и паст.

Свободный (несвязанный) абразив и пасты вызывают меньше всего вопросов. Если вы в походе вышли к водоему, чтобы почистить песком закопченный котелок – вы воспользовались свободным абразивом. Пастами называются смеси абразивных материалов с неабразивными различной густоты, от твердых брикетов до абсолютно жидких. В качестве связки в пастах используются жиры и масла, главным образом, олеин, стеарин и вазелин. Характеристики паст следующие: используемый абразивный материал, зернистость, рецептура неабразивных материалов, концентрация, консистенция. И пасты, и свободный абразив используются для операций доводки.

Гибкие инструменты. К ним относятся шлифовальные шкурки, ленты, лепестковые круги, сетчатые и фибровые диски, щетки из абразивонаполненных волокон.

Шлифовальная шкурка (или наждачная бумага), представляет собой измельченный абразивный материал, нанесенный на основу из бумаги, ткани или синтетического материала. В зависимости от клеящего элемента, они могут быть водостойкими или нет. Из шкурки можно вырезать ленты различной длины и ширины. При склейке концов получается «бесконечная лента». Также из шкурки вырезаются лепестковые круги, хорошо обрабатывающие детали со сложным профилем.

Сетчатые диски получаются путем нанесения абразивного материала на сетчатую основу и используются для полирования и зачистки поверхностей. Жесткие сетчатые диски, изготовленные на основе стекловолокна и лавсана, пригодны для разрезки небольших деталей из дорогостоящих материалов.

Если нанести абразивный материал на фибровую основу (целлюлоза, пропитанная хлористым цинком), то получится фибровый диск для зачистки и полирования. Для подготовки поверхности к нанесению грунта и краски, например, для кузовных работ, такой диск незаменим.

И, наконец, существуют щетки различной формы с металлической или синтетической «щетиной». Щетки применяются для удаления заусенцев, очистки поверхности от окалины, ржавчины, лака и краски, обработки сварных швов, а также для отделки поверхности: матирование, сатинирование, шлифование. Рабочий материал щеток варьируется от стальной и латунной проволоки до пластмассы с карбидом кремния. По структуре проволока может быть плетеной, не плетеной и гофрированной.

Жесткие инструменты

Инструменты фиксированной формы – это круги всех типов, кольца, сегменты, шлифовальные головки, бруски. Помимо абразивного материала определенной зернистости в состав этого вида инструмента входят органическая или керамическая связка и упрочняющие элементы. Инструменты на основе органической связки имеют тепловые ограничения, что требует осторожного использования охлаждающих жидкостей, и подвержены воздействию щелочей. Но эластичность органики делает незаменимым такой инструмент для операций по снятию больших припусков, например, при обдирке.

Плюсы керамической связки – высокая огнеупорность, химическая и водостойкость. К их недостаткам относится хрупкость и, как следствие, непригодность для работ с высокой ударной нагрузкой. При этом керамическая связка хорошо «держит» форму, что важно при высокоточном шлифовании, имеет высокую износостойкость и выдерживает высокие температуры.

К жестким абразивным инструментам относятся также и многочисленные напильники, рашпили и надфили.

Шлифовка

Шлифовальные операции делят на предварительное и чистовое шлифование.

Примером первого этапа может служить обдирка, то есть удаление больших припусков, которая производится крупнозернистыми обдирочными кругами на органической связке. Обдирка позволяет, например, зачищать дефекты отливок.

При чистовом шлифовании снимается основной припуск, придается форма и достигаются конечные размеры детали. Добиваются этого при помощи различных шлифовальных кругов, подобранных в соответствии с обрабатываемой поверхностью.

Специальные операции

Хонингование – отделочная (чистовая) обработка внутренних цилиндрических поверхностей абразивными мелкозернистыми брусками, закрепленными в специальных «держателях» брусков – «хонах». Это финишная операция, дающая высокую точность обработки: величина припусков при хонинговании не превышает 0,1 – 0,2 мм. Бруски чаще всего изготовляются из электрокорунда и карбида кремния зеленого. Качество автомобильных цилиндров зависит именно от этой операции, потому что малейшая шероховатость немедленно скажется на здоровье “железного коня”.

Суперфиниширование также характеризуется очень малым съемом материала, позволяет полностью избавиться от волнистости поверхности, удалить дефектный слой металла, возникающий при предшествующих операциях. После суперфиниша образуется поверхностный слой без структурных изменений, что крайне важно для деталей, работающих в условиях трения. Бруски для суперфиниширования изготавливаются из тех же материалов, что и инструмент для хонингования. Детали из бронзы, латуни и других цветных металлов обрабатывают в два приема, меняя мягкие бруски на более твердые. Использование инструмента из эльбора на керамической связке придает процессу обработки стабильность.

Галтовка – процесс очистки поверхности небольших заготовок и деталей от заусенцев, окалины, формовочной земли, коррозии и для полирования. Этим способом можно обрабатывать одновременно большое количество деталей, причем они могут быть разных размеров и форм. Во вращающихся барабанах детали избавляются от всевозможных дефектов, перечисленных выше. Перфорированные барабаны, помещенные в водные растворы, используются для полирования. В качестве абразивов применяется бой шлифовальных кругов или специально сделанные из различных материалов галтовочные тела (конусы, призмы, цилиндры).

Более аккуратная обработка получается в вибрационных камерах с абразивные наполнителями. В отличие от барабанов, тонкостенные и хрупкие детали обрабатываются здесь без повреждений. Вибрационное шлифование обеспечивает обработку закрытых и внутренних поверхностей.

Прорезка. Отрезка. Заточка

Прорезка и отрезка отрезными кругами экономична и дает нужный срез, часто не требующий дополнительной обработки. Отрезать кусок металла абразивным кругом, вращающимся на большой скорости, наиболее простой способ.

Заточка и доводка режущих инструментов предпочтительнее на кругах с бакелитовой связкой как более прочных, в две операции. Круги из эльбора делают наиболее качественную заточку, так как обладают высокой режущей способностью, равномерным износом и отсутствием прожогов.

Полирование

Операцию можно разделить на два этапа – предварительное и зеркальное полирование. Один из способов полирования – использование войлочных и матерчатых кругов и головок в сочетании со шлифовальными пастами. Выбор зернистости пасты зависит от требуемого качества. Для достижения максимального блеска необходимо последовательно менять пасты различной зернистости, начиная с более грубой, в процессе работы не забывая менять и сами полирующие круги.

Детали сложной формы обрабатываются жидкостным полированием, когда жидкость под определенным давлением и углом распыляется по поверхности изделия. В зависимости от обрабатываемого материала здесь применяются зерно, порошки или микропорошки из электрокорунда, карбида кремния или гранулированного кварцевого песка. В результате получается матовая поверхность без следов обработки, прожогов и микротрещин, кроме того, процесс повышает износостойкость материала.

Абразивные материалы (фр. abrasif — шлифовальный, от лат. abradere — соскабливать) — это материалы, обладающие высокой твердостью и используемые для обработки поверхности различных материалов: металлов, керамических материалов, горных пород, минералов, стекла, кожи, резины и других [1] . Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов.

С давних пор использовались естественные абразивные материалы (наждак, пемза, корунд, алмаз, кварц), с конца XIX века применяются искусственные (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, монокорунд, синтетический алмаз и другие) [1] .

Твердость (Мн/м²) определяется методом вдавливания алмазной пирамиды в поверхность испытуемого материала (например, для кварца 11000—11300, электрокорунда 18000—24000, алмаза 84250-100000). Абразивная способность характеризуется массой снимаемого при шлифовании материала в следующем порядке: алмаз, нитрид бора, карбид кремния, монокорунд, электрокорунд, наждак, кремень. Из абразивных материалов изготавливают жесткие и гибкие абразивные инструменты, которые широко применяются во всех отраслях машиностроения, особенно при изготовлении подшипников [1] .

Содержание

Виды абразивной обработки [ править | править код ]

Существуют следующие виды абразивной обработки:

• шлифование круглое — обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий;
• шлифование плоское — обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей;
• шлифование бесцентровое — обработка в крупносерийном производстве наружных и внутренних поверхностей (валы, обоймы подшипников и др);
• шлифование бесцентровое лентой — наружные поверхности, в том числе, сложные профили;
• шлифование лентой сложных профилей — например шлифование лопаток турбин;
• отрезание и разрезание заготовок — заготовительное и монтажное производство, демонтаж конструкций;
• притирка — абразивное притирание поверхностей (например седло и игла дизельной форсунки);
• гидроабразивная обработка — струйная и галтовка (отливки, поковки, метизы и др);
• пескоструйная обработка — очистка субстратов от старой краски, ржавчины, окалины и других загрязнений, а также сглаживание поверхностей и очистка отливок и поковок;
• ультразвуковая обработка — пробивка отверстий в твёрдых сплавах, извлечение сломанного инструмента, изготовление штампов;
• магнитно-абразивная обработка — обработка магнитно-абразивным порошком в магнитном поле;
• хонингование — обработка отверстий (цилиндры двигателей, насосов и др);
• полирование — придание поверхности малой шероховатости и зеркального блеска;
• суперфиниширование — окончательное придание наружным, внутренним и сложным профилям высочайшей точности и чистоты поверхности, в том числе алмазное суперфиниширование (точные механизмы, инструмент, детали особо точных приборов, инструментов, оружия и т. д.).

Инструменты абразивной обработки [ править | править код ]

Абразивные материалы для применения в промышленности должны быть закреплены или конструктивно выполнены в виде различных инструментов и составов.

Основные виды абразивных инструментов и составов:

• Отрезные круги: различных диаметров (до 3500 мм), ширины, высоты и форм (профилей) рабочего (абразивного) слоя и способов закрепления его на корпусе круга.
• Шлифовальные круги: различные абразивные материалы в виде кругов, дисков, конусов разных профилей и диаметров.
• Бруски: абразивные и металлоабразивные разных размеров и профилей для хонингования, притирки, суперфиниширования.
• Лента: синтетическая или растительнотканная лента разной ширины с приклеенными на её одной или двух сторонах зёрнами абразивных материалов.
• Наждачная бумага: абразивный материал, нанесенный на тканевую или бумажную основу.
• Пасты: абразивные притирочные и полировальные абразивы равномерно распределенные в связующем (парафин, церезин, олеиновая кислота, стеарин, масла, керосин и др).
• Свободное зерно: сухие абразивные зерна для гидроабразивной, ультразвуковой и пескоструйной обработки.
• Стальная вата: абразивный инструмент для шлифования и полировки.
• Галтовочные тела: абразивный инструмент в виде изделий геометрической формы (цилиндр, призма, конус, куб и т. п.), предназначенный для галтовки.

Абразивные материалы [ править | править код ]

Абразивные материалы классифицируются по твердости (сверхтвёрдые, твёрдые, мягкие), и химическому составу, и по величине шлифовального зерна (крупные или грубые, средние, тонкие, особо тонкие), величина зерна измеряется в микрометрах или мешах.

Зерном абразива называют отдельный кристалл, сростки кристаллов или их осколки при отношении их наибольшего размера к наименьшему не более 3:1.

Пригодность абразивных материалов зависит от физических и кристаллографических свойств; особенно важное значение имеет их способность при истирании разламываться на остроугольные частицы. У алмаза это свойство максимальное. Выбор абразивного материала зависит от физических свойств обрабатываемого и обрабатывающего материала, а также от стадии обработки (грубая обдирка, шлифовка и полировка), причём твёрдость абразивного материала должна быть выше твёрдости обрабатываемого (за исключением алмаза, который обрабатывается алмазом).

Абразивные материалы характеризуются твёрдостью, хрупкостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью.

Твёрдость — способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала. Твёрдость абразивных материалов характеризуется по минерологической шкале твёрдости Мооса 10 классами, включающей в качестве эталонов: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — полевой шпат, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.

Абразивная способность характеризуется количеством материала, сошлифованного за единицу времени.

Механическая стойкость — способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки, не разрушаясь при резке, шлифовке и полировке. Она характеризуется пределом прочности при сжатии, который определяют, раздавливая зерно абразивного материала, фиксируя нагрузку в момент его разрушения. Предел прочности абразивных материалов при повышении температуры снижается.

Химическая стойкость — способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств, будучи во взаимодействии с растворами щелочей, кислот, а также в воде и органических растворителях.

Абразивные материалы, применяемые для механической шлифовки и полировки полупроводниковых материалов, отличаются между собой размером (крупностью) зёрен, имеющих номера 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25,20, 16, 10, 8, 6, 5, 4, 3, М40, М28, М20, М14, М10, М7 и М5 и подразделяются на четыре группы:

• шлифзерно (от № 200 до 15),
• шлифпорошки (от № 12 до 3),
• микропорошки (от М63 до М14) и
• тонкие микропорошки (от М10 до М5).

Классификацию абразивных материалов по номерам зернистости проводят рассеиванием на специальных ситах, номер которого характеризует размер зерна. Номер зернистости абразивных материалов характеризуется фракцией: предельной, крупной, основной, комплексной и мелкой. Процентное содержание основной фракции обозначают индексами В, П, Н и Д.

В настоящее время абразивные материалы добываются и производятся синтетически, причём новые синтетические материалы, как правило, более эффективны, чем природные. Ниже приведены списки известных абразивных материалов.

Природные абразивы [ править | править код ]

• Алмаз: Алмазоподобная кубическая аллотропическая форма элементарного углерода, добывается в коренных (кимберлитовые трубки) и россыпных месторождениях. Наиболее ценный по своим абразионным свойствам материал. Лучшим считается его чёрная разновидность — карбонадо (карбонат), добываемая в Бразилии и на острове Борнео. Второе место занимает борт — радиально-лучистая разновидность алмаза. На рынке под именем борта продаётся всякий непригодный для огранки алмаз. Из общего количества 20 % карбонадо, 20 % настоящий борт, остальное — алмазный порошок и осколки. Применяется при обработке твердого камня, а также для шлифовки и полировки самого алмаза.
• Гранат: Природный минерал, состоит из: R 2+ ₃ R 3+ ₂ [SiO₄]₃, где R 2+ — Mg, Fe, Mn, Ca; R 3+ — Al, Fe, Cr.
• Инфузорная земля: осадочная горная порода, состоящая преимущественно из останков диатомовых водорослей. Химически кизельгур на 96 % состоит из водного кремнезёма (опала). Применяется в виде тонкого порошка для полировки камня и металла.
• Кварц: Кристаллическая двуокись кремния, один из наиболее дешевых и доступных абразивных материалов. В сухом виде вызывает силикоз. Использование только совместно с подачей воды. Кварц и кремень с раковистым изломом при раскалывании дают остроугольные частицы. Применяются в порошке для обработки мягких камней (мрамор), в пескоструйных аппаратах для обработки металла, для очистки камней в строительном деле и для изготовления шлифовальных шкурок. Из кремневых конкреций изготавливали шары для шаровых мельниц.
• Корунд: Кристаллический оксид алюминия, то же и сапфир, добывается в россыпях и иногда в рудах. Добытая корундовая руда измельчается, обогащается и сортируется по величине зерна. Применяется в порошке и для изготовления из него искусственных кругов, брусков и шкурок.
• Красный железняк: широко распространённый минералжелеза Fe₂O₃. В особо чистых разновидностях применяется для полирования железа и стекла.
• Мел: Карбонат кальция, для тонких видов абразивной обработки (притирка, полирование).
• Наждак: Природный минерал, состоит из: корунда и магнетита — чёрного магнитного оксида железа Fe₃O₄
• Пемза: пузыристое вулканическое стекло. Для шлифовки пригодна пемза с тонкими пластинками стекла, образующими перегородки между ячейками. Самая лучшая пемза — с острова Липари, близ Сицилии. Применяется для шлифовки дерева, мягких камней и металлов.
• Полевой шпат: группа породообразующих минералов из класса силикатов. Большинство полевых шпатов — представители твёрдых растворов тройной системы изоморфного ряда К[АlSi₃O₈] — Na[АlSi₃O₈] — Са[Аl₂Si₂O₈], конечные члены которой соответственно — альбит (Ab), ортоклаз (Or), анортит (An). В размолотом виде, наклеенный на полотно или бумагу, применяется в тех случаях, когда требуется мягкий шлифовальный материал.
• Трепел: рыхлая или слабо сцементированная, тонкопористая опаловая осадочная порода. Применяется в виде тонкого порошка для полировки камня и металла.

Синтетические абразивы [ править | править код ]

• Минеральный шлак (купрошлак или никельшлак): применяются для наружной очистки металлических, каменных, бетонных, кирпичных, деревянных поверхностей.
• Колотая стальная дробь: Применяется для удаления плотной окалины и обработки мягкого камня.
• Искусственный алмаз: Синтез при высоком давлении, обработка твердых сплавов, камня, стекла, цветных металлов.
• Кубический нитрид бора боразон (В России кубический нитрид бора знают как эльбор): Синтез при высоком давлении, применяют при шлифовании деталей из различных сталей и сплавов.
• Сплав бор-углерод-кремний: Сплавление бора с углеродом и кремнием в дуговой печи, обработка черных, и цветных металлов, камня, стекла и др.
• Карбид бора (B₄C): тугоплавкое соединение, по твёрдости уступает лишь алмазу. Применяется для обработки твердых сплавов, стекла, черных металлов.
• Карбид кремния (SiC) или Карборунд: Химическое соединение кремния с углеродом. Впервые получен в электрической печи в 1891 году. Лучшим считается американский — Carborundum С°, Norton; немецкий из-за примесей хуже. Чем меньше размеры его зёрен, тем больше их прочность. Применяется в порошке для изготовления искусственных кругов и шкурок для обработки твёрдых сплавов, цветных металлов и титана.
• Нитрид кремния: обработка черных и цветных металлов.
• Нитрид алюминия: обработка металлов.
• Электрокорунд (Al₂O₃): кристаллическая окись алюминия. Применяется при обработке черных металлов, изредка камня и стекла.
• Оксид циркония (фианит): обработка черных и цветных металлов.
• Двуокись церия: обработка стекла (полирит).
• Двуокись олова: обработка стекла, полирование металлов.
• Двуокись титана: полирование цветных металлов.
• Крокус красный (железный) получается прокаливанием щавелевокислого железа; полировальный порошок для металла и стекла.
• Крокус зеленый (окись хрома): для полировки твёрдых камней (кварц, агат, нефрит), черных и цветных металлов.

Разрабатываются новые перспективные абразивные материалы:

Отдельно следует выделить метод магнитоабразивной обработки и материалов для её осуществления. Суть метода заключается в использовании материалов с высокими абразивными и магнитными свойствами, что позволяет производить так называемую мягкую обработку и выполнять полирование на более высоком уровне.