Влияние свойств абразивных материалов на эффективность абразивной обработки

Эсмантович С.Н.

Директор департамента Технологий и инноваций

ООО» Торговый дом «Александр»

esmantovych@mail.ru

Технический прогресс в машиностроении характеризуется быстро возрастающими требованиями к точности размеров и геометрической формы деталей и качеству их поверхности, поэтому наибольшую актуальность приобретает абразивная обработка деталей. В настоящий момент в отечественной индустрии объём абразивной обработки составляет более 30 % всей металлообработки, а в подшипниковой промышленности свыше 70 %. В зарубежной практике общий объём абразивной обработки достигает 50%.

В настоящее время накоплены обширные теоретические и экспериментальные материалы, на базе которых  сформированы научные основы  шлифования, включая разработку различных моделей управления этим процессом. Однако вопрос о влиянии составляющих абразивного инструмента  на его свойства и эксплуатационные показатели  остается предметом полемики, что является одной из причин отсутствия  общепринятой взаимосвязи свойств абразива и параметров шлифования. Это выгодно, в первую очередь производителям абразивного инструмента.  Для отечественных производителей абразивов  навязанные  стереотипы, «забитые в техпроцессы предприятий»,   позволяют  выпускать универсальную продукцию крайне низкого качества. Ведущие мировые производители практикуют специализацию абразивного инструмента, что затрудняет обдуманный выбор потребителем характеристик абразивного инструмента под конкретную операцию шлифования.

Главной проблемой выбора характеристик абразивного инструмента  является  «многовариантность» его параметров, а при  назначении параметров шлифования игнорируются  процессы взаимодействия абразива со шлифуемым материалом.  Поэтому необходимо понимать, что основной составляющей любого абразивного инструмента  является  абразивный материал и от его взаимодействия с обрабатываемым материалом, в первую очередь,  зависит эффективность обработки.

Классификация абразивных материалов является понятной информацией, предусматривающей два класса: искусственные (синтетические) и естественные. К искусственным абразивам отнесены  электрокорунды (нормальный, белый,  легированные, монокорунд, спеченные корунды (формокорунды), SG-абразивы; карбиды кремния зеленый и черный. Карбид бора, синтетические алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора (эльбор, гексанит, кубонит и другие марки) выделяются в самостоятельную группу сверхтвердых материалов. К естественным абразивным материалам относятся природные алмазы, природный корунд, гранат, кремень и др., которые не имеют решающего промышленного значения.

На все  приведенные абразивные материалы имеются стандарты, регламентирующие их свойства (хим. состав,  насыпной вес, разрушаемость...) и назначение. Но  стандартные показатели конкретного абразива  отражают узкий спектр свойств без сравнения  с другими  подобными материалами.

Основным свойством абразивных материалов является их высокая твердость, по сравнению с другими материалами, так как именно это свойство дает способность одному телу обрабатывать поверхность другого, менее твердого.

Наиболее распространенным методом определения твердости материалов является метод царапания, основанный на том, что острием одного тела с определенной силой проводят по поверхности другого и более твердое тело при этом оставляет на поверхности более мягкого царапину, глубина которой зависит от свойств испытуемого тела.  На основании этого принципа была составлена шкала твердости Мооса, согласно которой по нарастанию твердости материалы имеют следующие баллы:

 1 — тальк; 2 — гипс; 3 — известковый шпат; 4 — плавиковый шпат; 5 — апатит; 6 — полевой шпат; 7 — кварц; 8 —топаз; 9 — корунд; 10 — алмаз.

Указанная шкала была расширена Риджвеем, Баллардом и Биллеем, предложившими 15-ти бальную шкалу для определения твердости материала:

1 — тальк; 2 — гипс, алюминий; 3— известковый шпат, медь, латунь; 4 — плавиковый шпат, никель; 5 — апатит,  мягкая сталь; 6 — полевой шпат,  легированная сталь; 7 — стекло; 8 — кварц, кремень, стеллит; 9 — топаз, высокоуглеродистая закаленная сталь; 10 — гранат; 11 — цирконий, твердый сплав на основе карбида тантала; 12 — электрокорунд, твердый сплав на основе карбида вольфрама; 13— карбид кремния; 14 — карбид бора; 15 — алмаз.

Указанные шкалы являются относительными и дают грубое относительное сравнение твердости различных материалов. Более объективная оценка твёрдости основана на принципе вдавливания - алмазной пирамиды в поверхность испытуемого материала при постоянной нагрузке 1,96 H на приборе ПМТ-3, т.н. микротвердость.

Согласно этому методу измерения микротвердость  материалов находится в следующих пределах, Гпа:

алмазы природные и синтетические 51,9–98,4;  эльбор 78,5–98,1; карбид бора 39,2–44,2; карбид кремния 32,4–35,3; электрокорунд: нормальный 18,9–19,6, белый 19,6–20,9; хромтитанистый 19,6–22,6 циркониевый 22,6–23,5; монокорунд 22,6–23,5; корунд 17,7– 23,5; гранат 13,7–16,7; кремень 9,8–14,7; техническое стекло 3,9–8,8.

Указанные свойства не являются критериями качества абразивных материалов.  Стандартами предусмотрена проверка по химическому, минералогическому и зерновому составам, насыпной массе и в отдельных случаях по абразивной и режущей способности. Физико-механические свойства абразивного материала, как правило, не регламентируются или не являются браковочными показателями. В то же время очевидно, что при эксплуатации абразивов в первую очередь реализуются физико-механические свойства абразивного зерна, непосредственно характеризующие его шлифующие свойства.

Для оценки прочностных характеристик абразивных материалов применяется метод, предусматривающий объемное сжатие навески зерен. Пресс-форму с испытуемой массой зерна 10 г устанавливают на пресс и подвергают давлению 1,55 ГПа. Механическая прочность абразивных материалов характеризуется количеством зерен основной фракции, сохранивших исходный размер после приложения давления, и определяется как процентное отношение массы неразрушенного остатка фракции испытуемой зернистости на сите после рассева к массе основной фракции испытуемой пробы. Механическая прочность абразивных материалов отдельных марок приведена в табл. 1.

Не менее важным критерием оценки физико-механических свойств абразивных материалов, кроме сверхтвёрдых, является разрушаемость, которую определяют посредством измельчения шлифовального материала  определённых зернистостей (3) с помощью мелющих тел (2) на приборе, работающем по принципу лабораторной шаровой мельницы (1).

Критерием разрушаемости испытуемого шлифзерна является процентное содержание в продуктах его измельчения фракций зерна, прошедших через контрольные сита номером ниже испытуемых зернистостей.    Разрушаемость различных абразивных материалов приведена в табл.2.

Следующий показатель — абразивная способность,  отражает  способность разных абразивных материалов обрабатывать тот или иной материал. Величину абразивной способности определяют на специальном приборе, типа  «Шлиф». За критерий абразивной способности любого абразивного материала принимается масса сошлифованного материала определенным количеством абразивных зерен, расположенных между двумя вращающимися (1 и 3, см. рисунок) в разных направлениях дисками, с которых сошлифовывается материал. В качестве стандартного материала для дисков применяют стекло, поэтому  при  шлифовании металлических материалов нет сопоставимых результатов.

Характеристика абразивной способности различных абразивных материалов зернистостью F60 приведена в табл.3.

Из табл. 3 видно, что относительная абразивная способность зависит от твердости минералов, однако при изменении обрабатываемого материала этот порядок может меняться: так, при обработке стали абразивная способность эльбора выше, чем алмаза, и электрокорундовых материалов выше, чем карбидокремниевых. Таким образом, показатель абразивной способности не характеризует полностью эксплуатационных свойств материала. 

На приведенные показатели в значительной степени влияют макромеханические свойства абразивных материалов, приведенные в таблице 4 в сравнении с  типовыми обрабатываемыми материалами.

Из таблицы  видно, что  обладая высокой микротвердостью и модулем упругости, абразивные материалы уступают по пределам прочности на сжатие и изгиб обрабатываемым материалам (твердым сплавам, сталям, карбидам металлов), так как абразивные материалы являются минералами, имеющими более высокую хрупкость.

При более глубоком изучении свойств абразивов было установлено, что  эксплуатационные свойства абразивов в значительной  степени зависят от термостойкости абразивных материалов и степени химического взаимодействия абразивного материала с обрабатываемым материалом. Наибольшей термостойкостью обладают материалы электрокорунда (1700–1900 0C), наименьшей (700–800 0C) алмаз и карбид бора. Термостойкость абразивов  влияет и на технологию  абразивного инструмента, и на выбор режимов шлифования, т.к. с повышением температуры твердость материалов снижается. Например, при нагреве электрокорунда от 20 до 1000° С его микротвердость снижается от 19 800 до 5880 МН/м2.

Степень химического взаимодействия (табл. 5) определяет область применения абразивных материалов для обработки тех или иных материалов и зависит от химической устойчивости материалов и взаимодействия их с обрабатываемым материалом.

Основываясь на  вышеприведенных параметрах, сложно ошибиться с выбором абразивного материала.  Понятно, что резать стальную заготовку кругами из алмаза или карбида кремния  нельзя. Во всех случаях, без исключения, электрокорунд (нормальный, белый, циркониевый) предназначен для резки металлов, а карбид кремния для резки неметаллов. Второй вопрос, что видов электрокорунда достаточно много и на кругах, замаркирована конкретная  марка (например, 14А, 13А, 25А, 38А), которая  обязывает к чему-то производителей. На кругах некоторых западных и, особенно, большинства восточных производителей ограничиваются маркировкой  А, Z, С, что предполагает широкую гамму  материалов, не всегда пригодных для абразивного инструмента.  Но  это не мешает сделать обобщение, определяющее  область применения основных абразивных материалов (табл. 6).

У ведущих западных производителей выбор абразивных материалов значительно шире, но каких-либо принципиально новых абразивов нет, за исключением разрекламированных специальных керамических корундов, получаемых  золь-гель технологией. Причём группа спечённых абразивных материалов появилась достаточно давно.

Если перевести информацию в практическую плоскость, то вышеприведенные свойства абразивов крайне важны, но при некорректном использовании в составе абразивного инструмента  их значение нивелируется.   

Изложенные в статье информация должна помочь  специалистам в области абразивной обработки обоснованно устанавливать характеристику абразивного инструмента  на любой основе.