16.2. Шлифовальный круг как режущий инструмент

Шлифовальные круги представляют собой тела, состоящие: а) из множества абразивных зерен, выполняющих функции режущих зубьев, и б) веществ, соединяющих все абразивные зерна в единую неразъемную конструкцию, имеющую определенную форму, размеры и прочность; их называют составляющими структурного строения круга. Для нормальной работы шлифовального круга между абразивными зернами и связующими их веществами должны оставаться некоторые промежутки (поры), играющие роль впадин между зубьями, в которых размещается стружка. Размеры пор и плотность их распределения в объеме круга играют настолько существенную роль, что их принято рассматривать как третью составляющую структурного строения круга. От соотношения названых трех составляющих зависят режущие свойства шлифовальных кругов.

Для алмазных и эльборовых кругов характеристикой структуры является концентрация зерен. Здесь условно принимается, что при 100 %-й концентрации алмазная или эльборовая составляющая занимает 1/4 объема рабочего слоя круга, а остальной объем занимают связка, наполнители и поры. По массе при 100 %-й концентрации в 1 мм алмазо- или эльбороносного слоя содержится 0,88 мг соответственно алмазных или эльборовых зерен. Шлифовальные круги выпускаются с 25; 50; 75; 100; 150; 200 и 250 %-й концентрацией.

Для выполнения шлифовальных операций используют широкую номенклатуру кругов. Формы шлифовальных кругов, наиболее часто используемых на практике, показаны на (рис. 16.6).

Круги ПП (плоский прямой) имеют плоские торцовые стороны и применяются для наружного и внутреннего круглого, а также для плоского шлифования. Круги ПВ (плоский с выточкой) имеют на одной стороне выемку – эти круги применяют для шлифования плоских и цилиндрических поверхностей с одним плоским торцовым буртом. Круги ПВД имеют выточки с обеих сторон – они применяются для шлифования цилиндрических и плоских поверхностей с двумя плоскими торцовыми буртами. Круги К кольцевой формы применяют для наружного круглого шлифования. Дисковые круги Д используются для прорезки пазов и отрезки. Круги ЧЦ (чашечные цилиндрические) и ЧК (чашечные конические), имеющие форму чашек, и тарельчатые круги 1Т, 2Т, 3Т, где цифрой обозначена модификация круга (в зависимости от углов наклона рабочих конических поверхностей, их протяженности и т.д.), в основном применяют для заточки инструментов.

Для придания кругам необходимой формы и размеров в состав круга входят связующие вещества, которые принято называть связками. Под этим термином понимается вещество или совокупность веществ, используемых для закрепления зерен в инструменте. Связки бывают неорганические (минеральные), органические (смолы, каучук) и металлические.

Рис. 16.6. Обозначения шлифовальных

кругов наиболее часто применяемых форм

В промышленности около 60 % инструментов изготовляют на неорганической связке, около 33 % - на бакелитовой, около 6 % - на вулканитовой и около 1 % - на прочих связках.

Неорганические связки. В группу неорганических входят керамические, магнезиальные и силикатные связки. Сырьем для керамических связок являются стекло, полевой шпат и другие минералы. Керамические связки обозначаются буквой К. В зависимости от состава они делятся на плавящиеся (стекловидные) и спекающиеся (фарфоровидные). Абразивные инструменты, содержащие зерна электрокорунда, изготовляют на основе плавящихся связок, а инструменты, содержащие зерна из карбида кремния, - на основе спекающихся связок.

В зависимости от содержания различных компонентов керамические связки выпускают разных марок: К1, К2, …, К8. Шлифовальные круги с электрокорундовыми зернами зернистостью 125…16 изготовляют на связке К8, мелкозернистые шлифовальные круги (зернистость 12…4) – на связке К7, круги, содержащие зерна из белого электрокорунда, - на связке К1 и на боросодержащей связке К5, что позволяет получить повышенную износостойкость кромок и профиля круга. Шлифовальные круги, содержащие абразивные зерна из карбида кремния зернистостью 50…16, изготовляют на связке К3, а мелкозернистые круги зернистостью 12…4 – на связке К2.

Шлифовальные круги на керамической связке влаго- и температуро-устойчивы, но отличаются хрупкостью и не допускают работу с ударными нагрузками. Благодаря хрупкости керамической связки абразивные зерна, достигшие некоторого критического значения износа, при очередном рабочем цикле выламываются из монолита, обнажая лежащие ниже абразивные зерна и тем самым обеспечивая самозатачивание в процессе шлифования. Шлифование кругами на керамической связке ведется, как правило, с применением охлаждающих жидкостей.

Магнезиальные (на основе каустического магнезита и хлорида магния) и силикатные (на основе растворимого стекла) связки применяются сравнительно редко в кругах для обработки вязких сталей.

Органические связки. К органическим связкам относятся бакелитовая, вулканитовая, глифталевая и др. Основой этих связок являются синтетические смолы.

Наибольшее распространение в этой группе получили бакелитовые связки на основе фенолоформальдегидной смолы: пульвербакелит марок Б и Б1, жидкий бакелит марки Б2 и специальный бакелит марки Б3.

Бакелитовые связки придают шлифовальным кругам прочность и эластичность. При нагреве до температуры выше 200 бакелитовые связки становятся хрупкими, и шлифовальные круги быстро изнашиваются. При продолжительном воздействии температур порядка 250…300 бакелитовая связка выгорает. На бакелитовые связки разрушающее действие оказывают щелочные растворы, и поэтому вода, применяемая для охлаждения, не должна содержать более 1,5 % соды.

Шлифовальные круги, в том числе и алмазные, изготовленные на бакелитовой связке, обладают хорошими режущими свойствами и способны обрабатывать материалы с малыми силами резания. Используя это свойство, а также малую длительность рабочих циклов, алмазными и эльборовыми кругами на бакелитовой связке можно затачивать лезвия режущих инструментов без применения охлаждающих жидкостей.

Мелкозернистые шлифовальные круги, содержащие зерна из электрокорундов и карбида кремния и изготовленные на бакелитовой связке, применяют для чистового и доводочного шлифования чугунов, сталей и цветных металлов. Шлифовальные круги на бакелитовой связке Б3 применяют для шлифования резьб и разрезки прутков.

Шлифовальные круги на бакелитовой связке устойчивы к влаге и маслам, имеют значительно большую ударную вязкость и прочность на сжатие, чем круги на керамической связке.

Основой вулканитовой связки является каучук, в который для осуществления процесса вулканизации добавляется сера. Вулканитовые связки в зависимости от содержания компонентов выпускаются нескольких марок – В1, В2 и В3. Теплостойкость каучука низкая (150…180 ), и это ограничивает режимы шлифования и требует применение жидкостей для охлаждения. Вместе с тем вулканитовая связка придает шлифовальным кругам большую эластичность и способность, изгибаясь, выдерживать без разрушения боковые нагрузки. Эти качества вулканитовой связки позволяют изготовлять тонкостенные шлифовальные круги, в частности, дисковой формы. Они применяются для шлифования узких криволинейных пазов в деталях и инструментах. Шлифовальные круги на связке В2 позволяют шлифовать резьбы с малым шагом. В процессе шлифования часть каучука выгорает, распространяя запах горелой резины.

Глифталевую связку получают на основе синтетической смолы из глицерина и фталиевого ангидрида. Шлифовальные круги на глифталевой связке применяют при отделочном шлифовании закаленных сталей.

Некоторые физико-механические свойства абразивных кругов на неорганических и органических связках приведены в табл. 16.1.

Металлические связки. Различают два основных вида металлических связок – порошковые и гальванические. Порошковые металлические связки получают спеканием порошков из медных и алюминиевых сплавов. Связки на основе бронз имеют обозначение М1. Связки на основе алюминиево-цинковых сплавов имеют общее обозначение М5 и подразделяются на связки ТМ2, МО13 и МВ1. Гальванические связки выполняются на никелевой основе методом гальванического закрепления зерен на металлическом корпусе.

Характерной особенностью металлических связок являются их высокая механическая прочность и незначительная пористость. Связка охватывает зерна практически со всех сторон и надежно удерживает их в монолите и, несмотря на их значительный износ, препятствует самозатачиванию круга. Поэтому на металлической связке изготовляют только алмазные и эльборовые круги, зерна которых обладают высокой износостойкостью.

Алмазные и эльборовые круги на металлической связке применяются для предварительного и чистового шлифования твердых и хрупких материалов, а также для заточки поверхностей лезвий режущих инструментов. Удельный расход алмазных зерен и износ режущей поверхности алмазных кругов на металлической связке меньше, чем кругов на бакелитовой связке. Металлические связки теплопроводны и быстро нагреваются по всему объему круга до высоких температур. Поэтому шлифование алмазными кругами на металлических связках ведется с обязательным применением охлаждающих жидкостей.

Таблица 16.1

Механические свойства абразивных кругов

Механические свойства	Связка
	керами- ческая	вулка-нитовая	бакели-товая
Предел прочности, МПа: на растяжение на сжатие на изгиб	30…50 70…90 45…60	46 70…85 80…100	30…35 150 60
Ударная вязкость, МДж/м2	0,12…0,5	1…1,5	0,5…0,6
Модуль упругости, ГПа	50…85	1…4	4…10
Температура размягчения,	500…700	80…100	100…120
Плотность, 10 3 кг/м3	2,2…2,8	1,0…1,4	1,2…1,4

Наполнители. Для изготовления шлифовальных кругов с требуемой пористостью в формовочную массу, состоящую из абразивных зерен и связки, добавляют различные наполнители. Наполнители бывают двух типов. К первому типу относятся вещества, которые в процессе изготовления шлифовального круга растворяются или возгоняются. К таким наполнителям относится древесная мука, опилки, молотый уголь, пластмассы, поваренная соль, нафталин. Наполнители второго типа образуют поры непосредственно при шлифовании благодаря хрупкому выкрашиванию в областях, прилегающих к режущей поверхности. В качестве таких наполнителей используются известняк, мрамор, гипс, кварц. При изготовлении алмазных кругов на бакелитовой связке в качестве наполнителей используются абразивные материалы: зерна электрокорунда, карбиды кремния и бора, металлические порошки и другие более сложные по составу композиции. Это делается в целях экономии основного абразивного материала – алмаза, а также способствует лучшему самозатачиванию круга.

В шлифовальные круги на керамической связке с абразивными зернами из электрокорунда и карбида кремния добавляют наполнители в количестве до 6 % по массе. В алмазных шлифовальных кругах на бакелитовой связке содержание наполнителей достигает 38 %.

Твердость абразивных инструментов. Под твердостью абразивного инструмента понимается условная величина, характеризующая свойство абразивного инструмента сопротивляться нарушению сцепления между зернами и связкой. По твердости абразивные инструменты делятся на мягкие (М1, М2, М3), среднемягкие (СМ1, СМ2), средние (С1, С2), среднетвердые (СТ1, СТ2, СТ3), твердые (Т1, Т2), весьма твердые (ВТ1, ВТ2) и чрезвычайно твердые (ЧТ1, ЧТ2).

Чем меньше твердость абразивных инструментов, тем слабее сцепление между зернами и связкой и тем легче отдельные зерна под действием внешних сил могут быть вырваны из режущей поверхности круга. По мере возрастания сил сцепления между зернами и связкой возрастает и сопротивление разрушениям под действием внешних сил.

Абразивные инструменты на керамической связке изготовляют всех степеней твердости, инструменты на бакелитовой связке – только от СМ1 до Т1; для инструментов на вулканитовой связке твердость не указывается.

В процессе шлифования абразивные зерна инструментов изнашиваются тем интенсивнее, чем тверже обрабатываемый материал и чем выше его истирающие свойства. С изнашиванием зерен возрастают силы резания, способные выломать (вырвать) из режущей поверхности круга изношенные зерна. Выламывание изношенных зерен приводит к обновлению режущей поверхности – включению в резание неизношенных зерен из нижних слоев круга. Таким образом, происходит самозатачивание круга, сопровождаемое изменением положения режущей поверхности (уменьшением наружного диаметра при плоском и круглом шлифовании).

Чтобы использовать свойство самозатачивания абразивных инструментов, шлифование твердых материалов с повышенными истирающими свойствами ведут мягкими шлифовальными кругами. Например, заточка твердосплавных инструментов ведется кругами с твердостью М2…СМ2. Чем мягче обрабатываемый материал, тем тверже выбирают круги: шлифование термообработанных конструкционных и инструментальных сталей твердостью HRC 50…65 ведут электрокорундовыми кругами с твердостью СМ и С; шлифование конструкционных сталей и чугунов в состоянии поставки – электрокорундовыми кругами с твердостью СТ, а сплавов алюминия и меди – кругами с твердостью Т1. Круги с твердостью ВТ и ЧТ используются для предварительной обработки и очистки литья, снятия грата на сварных швах, обработки заготовок в заготовительных цехах, т.е. когда не требуются высокая точность обработки и высокое качество обрабатываемых поверхностей.

С изменением твердости изменяется пористость круга. В абразивных инструментах на керамической связке объем пор уменьшается с 46,5 % у кругов с твердостью М1 до 33 % у кругов с твердостью СТ3.

Маркировка шлифовальных кругов необходима для удобства их эксплуатации. Характеристики шлифовального круга наносятся на их торцовую поверхность. Например, абразивный круг типа ПП, имеющий наружный диаметр =500 мм, высоту =50 мм, диаметр посадочного отверстия =305 мм, материал абразива – белый электрокорунд марки 24А, зернистость 10-П, твердость С2, структуру № 7, керамическую связку марки К5, рабочую скорость 35 м/с, 1-й класс неуравновешенности, класс точности А, маркируется следующим образом:

.

Маркировка алмазных шлифовальных кругов производится следующим образом. Указывается форма, основные размеры круга и алмазоносного слоя, зернистость, связка, концентрация и количество алмазов в круге (в каратах), а также наименование предприятия изготовителя или его товарный знак. Номер круга и год его изготовления. Например, в круге АЧК с характеристикой АС2 10 Б1 2 29 №8 - 90 маркировка имеет следующие значения: АЧК – алмазный круг чашечный, конический; 150 – наружный диаметр круга, мм; 10 – высота алмазоносного кольца, мм; 3 – толщина этого кольца, мм; 32 – диаметр посадочного отверстия, мм; АС2 – алмаз синтетический обычной прочности; 10 – зернистость алмазного порошка; Б1 – связка бакелитовая первая (с наполнителем из карбида бора); 2 – относительная концентрация алмазов в алмазоносном слое, % (цифрами 1, 2, …,6 обозначается соответственно 25, 50, 75, 100, 125, 150 %-я концентрация); 29 - содержание алмазного порошка, карат; 8 – заводской номер круга; 90 – год изготовления круга.

Инструмент, изготовленный из эльбора, маркируется подобно алмазному. Например, маркировка ЛЧК читается так: чашечный круг диаметром 150 мм с рабочим слоем высотой 10 мм и толщиной 3 мм, диаметр посадочного отверстия 32 мм, эльборовое зерно (Л), зернистость 10, связка Б1, концентрация 150 %, количество эльбора в круге 58 каратов; 43 – заводской номер круга; 90 – год изготовления круга. Концентрация 100 % в эльборовых кругах не указывается.

Потеря абразивными инструментами эксплуатационных свойств и их правка. В процессе шлифования каждое режущее зерно абразивного инструмента вырезает царапины на поверхности обрабатываемой заготовки, превращая срезаемый металл в стружку. На протяжении всего рабочего цикла срезаемая каждым зерном стружка может накапливаться только в замкнутом со всех сторон объеме поры, расположенной между соседними зернами режущей поверхности. В результате деформаций, происходящих с высокой скоростью, и трения срезанная стружка нагревается до температур выше 1000 , вплоть до температуры плавления обрабатываемого материала.

За время холостого цикла накопившаяся в объеме поры стружка под действием центробежных сил и потока охлаждающей жидкости имеет возможность удаляться из пор. Внешним проявлением этого является сноп искр, вылетающих из-под круга. Однако часть стружки застревает в объемах пор и через некоторый промежуток времени поры на режущей поверхности оказываются заполненными обрабатываемым материалом. Такое явление принято называть засаливанием круга. Засаленный круг теряет режущие свойства, и поверхность заготовки контактирует не с зернами абразива, а со стружкой из обрабатываемого материала, находящейся в порах шлифовального круга. Засаленность абразивного инструмента вызывает повышение затрат энергии, выделение большого количества теплоты и повышение температуры на режущей поверхности круга и обрабатываемой поверхности заготовки. Это, в свою очередь, может привести к снижению качества и даже к браку шлифуемой детали, выраженному прижогами на обработанной поверхности. Визуальным признаком брака являются цвета побежалости на шлифуемой поверхности. Они возникают при нагреве поверхности до температур 250…300 , при которых в поверхностных слоях могут произойти структурные изменения и образование трещин.

Износ режущей поверхности. Абразивные инструменты со степенью твердости М и СМ изнашиваются преимущественно благодаря их способности к самозатачиванию. Абразивные зерна этих кругов вырываются или выкрашиваются действующими силами резания и трения. Более твердые абразивные инструменты (со степенью твердости С, СТ и Т) изнашиваются вследствие частичного раскрашивания зерен и частичного изнашивания вершин зерен от истирающего действия обрабатываемого материала. В результате изнашивания на вершинах абразивных зерен образуются изношенные площадки, которые препятствуют внедрению абразивных зерен в обрабатываемый материал. Такие круги считаются изношенными и для дальнейшей работы непригодны.

По мере изнашивания режущие поверхности постепенно изменяют форму и размеры. При этом более интенсивно изнашиваются места угловых переходов и выступов, где абразивные зерна менее прочно скреплены связкой и где осуществляется наибольший съем обрабатываемого материала. Так, например, шлифовальные круги формы ПП, работающие наружной цилиндрической поверхностью, изнашиваются не равномерно по всей ширине круга , а в основном по краям на участках и (рис. 16.7). Это может привести к возникновению на детали погрешностей формы в виде конусности при круглом шлифовании и в виде уступов при плоском.

Правка абразивных инструментов. Для возвращения шлифовальным кругам режущей способности после засаливания или износа режущих лезвий абразивных зерен, а также для придания кругам заданной формы необходимо производить их правку.

Рис. 16.7. Характер износа шлифовального круга при круглом и плоском шлифовании

На предварительных обдирочных операциях, когда не предъявляется высоких требований к точности и шероховатости шлифованной поверхности, правку выполняют металлическими звездочками и шарошками, закрепленными в державках на столах станков, а также монолитными твердосплавными дисками, обломками твердых абразивных кругов, брусками из крупно- и среднезернистых карбидов кремния, закрепленными в оправках. На чистовых операциях, когда необходимо обрабатывать поверхности точно и качественно, и при заточке режущего инструмента правку проводят обкатыванием правочными роликами, выполненными из твердого сплава или из абразивных материалов, а также алмазными карандашами. Правочные ролики могут иметь профильный контур для точной правки кругов. Правочные ролики раздавливают и выламывают зерна на подвергаемой правке режущей поверхности круга.

Алмазные карандаши представляют собой державки, в которых механически (зачеканкой) или с помощью связующих веществ (металлической связкой) закрепляют алмазы различных размеров. В карандашах марки Н алмазы располагаются неупорядоченно; в карандашах марки С – слоями, а в карандашах марки Ц – цепочкой вдоль оси. Правка изношенного шлифовального круга алмазными карандашами выполняется, как обточка круга по его режущей поверхности на глубину (рис. 16.7) обеспечивающую удаление изношенных абразивных зерен и восстановление заданной формы режущей поверхности круга.