Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> К вопросу о структуре абразивного инструмента

Как уже отмечалось, объем пор должен оставаться постоянным у инструментов разных структур, но одной твердости. Функциональную зависимость объема пор Vп, %, от твердости можно определить из формулы (1), если вместо Vм и Vс подставить их значения из (2) и (4):

Vп=49,5-1,5N. (7)

Как показали экспериментальные данные (рис. 2), объем пор зависит не только от твердости, но и от зернистости шлифовального материала. С переходом от зернистости 10 к зернистости 40 при одинаковой твердости объем пор снижается почти на 3 %, что по формуле (1) равносильно переходу к более высокой структуре или по формуле (4) на две степени к более высокой твердости. Наибольшее увеличение объема связки наблюдается в диапазоне зернистостей 10...25 и составляет около 14...19 % в зависимости от твердости инструмента. С переходом от зернистости 25 к зернистости 40 объем связки возрастает в среднем на 5 %. Таким образом, влияние зернистости на содержание связки существенно, но оно не отражено в формуле (4).

Сделанный анализ свидетельствует о том, что теоретические зависимости весьма приближенно отражают связь между объемами связки и пор и твердостью инструмента. В частности, при отработке рецептуры необходимо учитывать влияние зернистости и целого ряда других факторов. В полной мере из рассмотренных соотношений между объемом составных частей абразивного инструмента и структурой выдерживается зависимость (2), т.е. зависимость, относящаяся к объему шлифовального материала.

Производители абразивной продукции номер структуры абразивного инструмента определяют по объемному содержанию только шлифовального материала в соответствии с формулой (4), что не в полной мере отвечает определению данного понятия в стандарте. Поскольку структура является важнейшей составляющей характеристики абразивного инструмента, это необходимо учесть при разработке новой редакции стандарта "Материалы и инструменты абразивные. Термины и определения". В частности, целесообразно учесть сложившуюся практику определения номера структуры только от содержания абразивного материала в объемных или массовых процентах.

Литература

  1. Любомудров В.Н., Васильев Н.Н., Фалькопский Б.И. Абразивные инструменты и их изготовление. М.Л.: ГНТИМСЛ, 1951. 376 с.
  2. Абразивные материалы и инструменты. Каталог-справочник. М.: НИИМаш, 1986. 358 с.
  3. Лавров И.В., Шишко О.С. Плотность шлифзерна и шлифпорошков основных абразивных материалов // Абразивы, 1975. № 3. С. 4-9.

Области применения абразивных инструментов различной зернистости

К вопросу о структуре абразивного инструмента

Приведены формулы по расчету объемной и массовой доли зерна, связки и пор в абразивном инструменте, а также некоторые специальные формулы расчета массовых долей шлифовального материала, исходных компонентов связки, плотности сырого и обожженного инструмента, используемые при расчете рецептуры в абразивной промышленности. Дан сравнительный анализ содержания шлифовального материала, связки и пор по теоретическим зависимостям и фактическим производственным данным. Высказаны предположения по уточнению определения структуры в стандарте.

Согласно ГОСТ 21445 под структурой абразивного инструмента понимают соотношение объемов шлифовального материала, связки и пор. В примечании к данному определению указано, что "структуры абразивного инструмента обозначаются номерами, установленными в нормативно-технической документации". Изготовляются абразивные инструменты со структурой от номера 0 и выше. Структуры номеров 0...2 принято называть очень плотными, 3, 4 — закрытыми или плотными, 5...8 — средними, 9...12 — открытыми и свыше 12 — высокоструктурными. Есть еще высокопористые инструменты, в которых размеры и число пор задаются размером и количеством материала порообразователя или наполнителя.

В соответствии с определением структуры объемная доля абразивного инструмента V,%, равна:

V = Vм + Vс + Vп = 100 (1)

где Vм, Vс и Vп — объемное содержание соответственно шлифовального материала, связки и пор.

Объемное содержание Vм, %, в абразивном инструменте заданной структуры определяют по известной формуле [1]:

Vм = 62 - 2n (2)

где n - номер структуры.

Согласно (2) каждой структуре, независимо от зернистости и твердости инструмента, соответствует один определенный объемный процент шлифовального материала. Содержание шлифовального материала в абразивном инструменте является величиной дискретной и представляет собой арифметическую прогрессию с разностью, равной 2.

При составлении абразивной смеси удобнее пользоваться относительной массой или массой в единице объема формованного абразивного инструмента Мм, кг/см3:

Мм = γмVм/100 = (62 - 2n)γм/100 (3)

где γм — плотность шлифовального материала. Фактическая плотность шлифовального материала должна учитывать возможные дефекты внутреннего строения зерен. Например, фактическая плотность 80 % зерен электрокорунда белого, получен­ных из одного материала, находится в интервале 3,91...3,98 г/см3. С учетом оставшихся 20 % зерен интервал варьирования достигает 3,86...3,99 г/см3. С уменьшением зернистости наблюдается тенденция увеличения плотности. Плотность зерен электрокорунда нормального находится в тех же пределах. Наибольшей стабильностью по плотности обладают зерна карбида кремния черного и зеленого. Для восьмидесяти процентов зерен их плотность укладывается в интервал 3,19...3,22 г/см3 [2]. Если учесть колебание плотности абразивного материала, то разброс значений плотности зерен может достигать 10 %.

При расчете массы шлифовального материала обычно используют средние значения плотности абразивного материала γa, например, по данным [3].

Разработанная еще в начале пятидесятых годов теория изготовления абразивного-инструмента [1] рекомендует объемное содержание Vc, %, связки определять по следующей зависимости:

Vc = -11,5 + 1,5N + 2n (4)

где N — номер твердости. Номер твердости абразивного инструмента — это цифровое обозначение степени твердости, используемое при расчете объема связки и пор. Степени твердости ВМ1 присваивается номер 0, ВМ2 — номер 1 и т.д. Последняя степень твердости ЧТ2 имеет номер 17.

По формуле (4) объемное содержание связки определяется только твердостью и структурой инструмента. Для получения инструмента ближайшей большей структуры и той же твердости необходимо объем зерна уменьшить на 2 %, а объем связки на столько же увеличить. Объем абразивного инструмента ближайшего большего номера структуры, но той же твердости равен (Vм - 2) + (Vc + 2) + Vп.

Для получения инструментов одной и той же структуры, т.е. с одним и тем же объемом зерна, но разных твердостей, увеличивают объемное содержание связки на 1,5 % для каждой следующей большей степени твердости. Соответственно, объем пор должен уменьшаться на эту же величину. Если объем инструмента какого-либо номера структуры и какой-либо твердости V = Vм + Vс + Vп, то объем инструмента той же структуры, но ближайшей большей степени твердости

V = Vi+1= Vм + (Vc+1,5) + (Vп-1,5).

Разработанная система структур относится к инструменту с равномерным распределением зерна, связки и пор. Основой системы структур является объемное содержание в инструменте шлифовального материала Vм.

По формулам (1), (2) и (4) можно рассчитать соотношение объемов шлифовального материала, связки и пор для различных структур и твердостей готовых абразивных инструментов на керамической связке. Влияние остальных факторов считается несущественным. Числовые значения Vм, Vс и Vп характеризуют геометрическое строение абразивного инструмента. Конечно, заданное формулами строение черепка не может гарантировать получения используемой в формулах твердости. Истинная твердость зависит от вида связки и технологии изготовления инструмента, например, обжига.

Масса связки в готовом инструменте представляет собой сумму масс компонентов абразивной смеси (кроме зерна), не испаряющихся и не выгорающих полностью при сушке и обжиге инструмента. Удельная масса связки в готовом инструменте представляет собой сумму следующих компонентов:

mс = mи.сКи.к + Σmи.кKи.к

где Kи.с и Ки.к - коэффициент потери массы соответственно исходной связки и остальных исходных компонентов в процессе изготовления инструмента; mи.с и mи.к - удельная масса соответственно исходной связки и остальных исходных компонентов абразивной смеси, куда входят различного рода наполнители, порообразователи и пр. К таким компонентам, например при изготовлении инструментов из электрокорунда, относится силикат. В расчетах плотности готового инструмента обычно принимают, что абразивный материал (карбид кремния и электрокорунд) не изменяет массу в процессе термообработки, связка теряет около 5 % первоначальной массы.

По технологии изготовления абразивного инструмента рецептура абразивной смеси задается не в объемных и массовых единицах, а в массовых долях Д, которые рассчитывают на 100 массовых долей шлифматериала:

Д = Ми.к100/Mм (5)

где Мм и Ми.к исходные массы соответственно зерна и исходного компонента абразивной смеси.

С учетом этого массовые доли исходных компонентов, которые в процессе обжига инструмента образуют связку Ди.к, найдем по формуле

где γc — плотность обожженной связки; Ки.к - коэффициент потери массы исходного компонента при обжиге инструмента; Сс.к — доля компонента в общей массе связки после обжига.

Плотность сырой (исходной) абразивной смеси γa.c определяется как сумма масс всех отдельных компонентов, отнесенная к объему заформованного инструмента, или как сумма удельных масс:

γa.c = mм + Σmи.к.

Плотность абразивной смеси можно выразить через массовые доли компонентов:

По аналогии с предыдущей формулой плотность готового абразивного инструмента

Для инструмента из карбида кремния в большинстве случаев вся масса связки после обжига определяется исходной связкой, так как остальные компоненты абразивной смеси — декстрин и вода — полностью выгорают при обжиге. В этом случае формула для определения массовых долей связки по ее объему в готовом инструменте будет иметь следующий вид:

Насколько реально теоретические зависимости (2) и (4) отражают действительное строение абразивного инструмента, можно проанализировать на известных в настоящее время и используемых в производстве рецептурах инструментов на керамической связке.

Как показал анализ, содержание шлифовального материала в абразивном инструменте находится в полном соответствии с зависимостями (2) и (3).

Для определения объемного содержания связки массовые доли необходимо перевести в объемные проценты. Из формулы (6) получаем:

где Кc — коэффициент потери массы связки при обжиге.

Теоретическая зависимость объемного содержания связки от твердости при любой фиксированной структуре в соответствии с формулой (4) графически выражается прямой линией. Экспериментальные зависимости не совпадают с теоретическими (рис. 1). Фактическое содержание связки в инструменте, например шестой структуры, значительно выше теоретического, особенно у зернистости 40. В инструменте седьмой структуры фактическое содержание связки выше теоретического также у крупнозернистого инструмента. При изготовлении шлифовальных кругов зернистостей 10..12 твердости СМ1-СМ2 объемное содержание связки совпадает с теоретическим, а для более высоких твердостей опускается ниже значений, полученных по формуле (4). Экспериментальная зависимость объемного содержания связки от твердости близка к линейной, но коэффициент наклона прямой ниже. В диапазоне твердостей от М2 до СТЗ объемное содержание связки увеличивается с 7,9 до 15,3 %, т.е. для изменения твердости инструмента на одну степень необходимо уменьшить или увеличить объем связки в среднем на 0,93 %. Экспериментальная зависимость объема связки от твердости для инструмента структуры 8 во всем диапазоне оказалась ниже теоретической и с меньшим коэффициентом наклона.

Рис. 1. Объем связки в зависимости от номера твердости:
О - 64С32-40...6К; ϒ - 64С10-12...7К; Δ - 64С6-8...8К;
--- -структура 6; ... - структура 7; - - - структура 8

Рис. 2. Объем пор в зависимости от твердости в инструменте структуры 6:
• - 64С40; ϒ - 64С25; O - 64С16; Δ - 25А10; --- -структура 6

Зернистость инструментов

Область применения

абразивных

алмазных

М40 ... М5

1/0 40/28 ...5/3

Для доводки особо точных деталей.
Окончательная доводка деталей с точностью 3...5 мкм и менее и шероховатостью поверхности Ra= 0,16. ..0,02 мкм. Суперфиниширование, окончательное хонин-гование. Резьбошлифование с мелким шагом

8; 6

63/50 ...50/40

Чистовое и тон кое шлифование деталей из твердых сплавов, металлов, стекла и других неметаллических материалов. Доводка режущего инструмента. Резьбо­шлифование с мелким шагом резьбы. Чистовое хонингование

12; 10

125/100 ...80/63

Отделочное шлифование деталей с шероховатостью Ra= 0,63. ..0,16 мкм. Чис­товое алмазное шлифование, заточка режущих инструментов. Предварительное хонингование

25; 20; 16

200/160 ...125/100

Чистовое шлифование деталей, заточка режущих инструментов, предварительное алмазное шлифование, профильное шлифование с шероховатостью Ra— 1,25.. .0,16 мкм. Шлифование хрупких материалов

40; 32

315/250 ...250/200

Предварительное чистовое шлифование деталей с шероховатостью поверхности До— 2, 5. ..0,32 мкм. Заточка режущих инструментов

50; 63

-

Предварительное круглое наружное, внутреннее, бесцентровое и плоское шли­фование с шероховатостью поверхности Ra= 2,5. ..0,63 мкм. Отделка металлов и неметаллических материалов. Шлифование вязких материалов. Заточка крупных и средних резцов. Отрезка. Правка инструмента

125; 100; 80

-

Правка шлифовальных кругов. Ручное обдирочное шлифование заготовок после литья, ковки, штамповки, прокатки и сварки

В.А. НОСЕНКО, Т.Н. ОРЛОВА, А.А. ШЕГАЙ
Справочник. Инженерный журнал № 3, 2006, стр. 38-41.

Статьи партнеров