ПРОИЗВОДСТВО АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Технология производства и контроля абразивных инструмен­тов в значительной степени определяет их рабочие свойства: однородность, твердость, структуру, уравновешенность, стойкость.

Изготовление абразивных инструментов производится по ре­цептам, в которых для каждой характеристики по зернистости и 40

твердости установлены вид и количество связки, номер структуры, объемный вес подлежащего формованию инструмента, а также оп­ределяются давление прессования и количество клеящего веще­ства, применяемого в качестве добавки в связку.

Наибольшее применение при шлифовании имеют абразивные инструменты, изготовленные на керамической, бакелитовой и вул — канитовой связках. Кроме того, в небольших количествах вы­пускаются и применяются шлифовальные круги на силикатовой и глифталевой связках.

Абразивные инструменты класса А отличаются более жесткими допусками на диаметры отверстий, эксцентриситет и параллель­ность торцовых сторон, а допуски на наружный диаметр и высоту устанавливаются только плюсовые, а не плюс и минус, как для класса Б. Назначение связок заключается в скреплении зерен абразивного инструмента и в удержании их от преждевременного выкрашивания в условиях процесса шлифования, который, как известно, характеризуется высокими температурами и значитель­ными силами резания. Сила сцепления связки с абразивными зер­нами в значительной степени зависит от величины ее поверхност­ного натяжения, а также от условий термической обработки.

Процесс изготовления абразивного инструмента независимо от рода связки заключается в приготовлении связки, смешении абразивной массы, формовании, термической обработке, механи­ческой отделке и испытании. Формование керамических кругов производится двумя способами: прессованием или литьем.

Инструменты на керамических связках. В настоящее время удельный вес выпуска инструментов на керамических связках со­ставляет около 55%. Связки приготовляют главным образом из местных материалов, сырьем для производства которых являются: глины, плавни (калиевый полевой шпат, тальк, растворимое стекло и др.), перлит и кварцы. Глины применяются главным об­разом огнеупорные (с температурой плавления 1750° С и выше); в качестве плавня применяется главным образом калиевый шпат — имеющий температуру плавления (1200—1250° С). Из этих мате­риалов путем их тонкого измельчения и затем смешения в опре­деленных пропорциях, зависящих от их состава, приготовляют связки, которые в процессе термической обработки полностью или частично расплавляются и скрепляют абразивные зерна. Связки, почти полностью расплавляющиеся, называются плавящимися или стекловидными и применяются главным образом для произ­водства абразивных инструментов из электрокорундового зерна. К таким связкам из наиболее употребительных относятся: № 853, в состав которой входит 40% глины, 48% полевого шпата, 12% талька; № 516, содержащая, кроме глины и полевого шпата, 20% борного стекла. Связки, частично расплавляющиеся и обладающие более высокой температурой плавления, чем стекловидные, на­зываются спекающимися и применяются главным образом для
изготовления абразивных инструментов из карбида кремния. К та­ким связкам принадлежит связка № 1к, содержащая 46% глины, 44% полевого шпата и 10% бентонита. В процессе термической обработки абразивных инструментов из эдектрокорунда плавя­щиеся связки вступают в реакцию с зернами и прочно скрепляют их между собой. Взаимодействие связки с зернами карбида крем­ния нс приводит к более прочному их сцеплению между собой из-за

высокого класса чистоты поверхности зерен.

При изготовлении СВЯ­ЗОК регламентируется сте­пень тонкости помола, так как от нее также зависит однородность связки и прочность сцепления абра­зивных зерен. Чем тоньше помс’л, тем лучше однород­ность абразивной массы. При установлении состава и характеристики связки для производства абразив­ных инструментов требуе­мого назначения выбирают такие, которые имеют наи­меньшие значения модуля упругости. Этот модуль ха­рактеризует величину на­пряжений, возникающих при термической обработ­ке. Чем он выше, тем боль­ше напряжения.

Следующей операцией технологического процесса является приготовление абразивной массы. Эта операция заключается в сме­шении связки и абразивного зерна в заданных рецептом пропор­циях в смесительных машинах (рис. 9) и в механической или ручной протирке смешанной массы через сито на одйн-два номера крупнее номера зернистости абразивного материала — Количество связки, необходимой для получения абразивного инструмента заданной твердости, зависит от ее состава и зернистости абразивных материа­лов. Так, для получения круга из белого электрокорунда зерни­стостью 40, твердостью СГ2 надо брать на 30% меньше керамиче­ской связки, если в ее состав входит борный ангидрид. При произ­водстве мелкозернистых абразивных инструментов число зерен, подлежащих обволакиванию связкой и сцеплению между собой, резко возрастает, в связи с чем количество связки, необходимой для обеспечения той же твердости, что и для крупнозернистых инстру­ментов, увеличивается.

Для придания массе свойства формуемости и повышения проч­ности заформованных изделий в нее добавляется необходимее количество клеящего вещества. В качестве клеящего вещества при­меняют раствор декстрина или жидкого стекла. Вместе с тем до­бавка клеящего вещества способствует уменьшению трения зерен о стенки прессформы при прессовании и выталкивании заформо — ванного круга из кольца прессформы. В процессе термической об­работки изделий декстрин выгорает, а добавка жидкого стекла спо­собствует растеканию связки при ее расплавлении.

Операция смешения массы является чрезвычайно важной для однородности абразивного инструмента. Зерна абразивных мате­риалов и связка должны при этом распределяться максимально равномерно, поэтому порядок и последовательность загрузки так же, как и время смешения, должны быть строго регламентиро­ваны. В процессе смешения зерна должны обволакиваться связкой так, чтобы вся смесь представляла собой конгломерат отдельных тел с ядром из зерен и оболочек из связки. После смешения масса должна иметь однородный состав, а в результате протирки через вибрационное сито она должна иметь рыхлость. Мелкозернистые массы должны приготовляться в шаровых мельницах. Подготов­ленная таким образом масса идет на формование^ которое произ­водится на специальных гидравлических прессах мощностью от 50 до 2000 т.

Технологический процесс формования заключается в следу­ющем: отвешенная с возможной точностью масса поступает через разравнивающее устройство в прессформу, в которой она по мере наполнения разравнивается до состояния, обеспечивающего одина­ково равномерное распределение по всему объему прессформы. Нем равномернее степень распределения массы в прессформе, тем одно­роднее по твердости и уравновешенности будет шлифовальный круг.

Наряду с механическими разравнивающими устройствами при­меняются способы пневматической загрузки массы (под давлением 4—5 кГ/см2) и формования через гидроплиту, значительно улуч­шающие равномерность укладки и обеспечивающие достижение твердости в пределах одной степени.

После разравнивания массы прессформа с уложенной верхней плитой поступает на транспортирующей тележке или при помощи другого приспособления под плунжер пресса (рис. 10). Прессова­ние ведется при давлении 50—250 кГ/см2 в зависимости от харак­теристики формуемого абразивного инструмента. Чем больше сум­марная поверхность зерен, подвергаемых прессованию, т. е. чем мельче зернистость формуемых абразивных инструментов, Тем больше должно быть удельное давление для получения абразив­ного инструмента одной и той же степени плотности.

Величина необходимого при прессовании давления

P^-f — кГ/см

где р — удельное давление в кГ/см2;

S — площадь формуемого изделия в см2;

F — площадь сечения плунжера пресса в см2.

Применять более высокие удельные давления не рекомендуется, так как чем они выше, тем получается большее измельчение зерна, что нежелательно.

Для обеспечения максимально однородной степени плотности по всей высоте формируемой массы прессование производится

Рис. 10. Формовочный агрегат

с подпрессовкой при помощи специальных устройств, т. е. давле­ние прикладывается одновременно к верхней и нижней сторонам прессформы. Время прессования, т. е. скорость хода плунжера пресса, задается в зависимости от зернистости массы: больше для крупнозернистых и меньше для мелкозернистых абразивных ин­струментов.

После снятия давления прессформа поступает на выталкива­тель, где заформованное изделие, лежащее на нижней плите, освобождается из кольца прессформы.

При массовом производстве для достижения большей однород­ности твердости формование производится методом прессования до заданной высоты, т. е. до получения точно заданного объема. Повышение равномерности твердости круга увеличивает его стой­кость и производительность.

Если при прессовании применяют пневматическую загрузку массы и гидроплиту, то последняя контролирует фактически рав­номерность плотности расположения массы.

Прочность при изгибе заформованных кругов находится в пре­делах 0,1—1 кГ/см2. Для ее повышения и удаления содержащейся в кругах влаги, во избежание трещинообразования при последую­щей термической обработке, круги после формования сушат в спе­циальных сушилках при температуре до 100° С, после которой их прочность резко возрастает, а влажность уменьшается до 0,1—■ 0,6%. Чем толще круг и мельче его зернистость, тем продолжи­тельность сушки больше.

Затем круги подвер­гают термической обработ­ке в туннельных печах непрерывного действия, имеющих три зоны: подо­грева, обжига и охлажде­ния. Круги загружают на вагонетках в печь так, что­бы печные газы обогревали их равномерно со всех сто­рон. Источником тепла у большинства печей явля­ется газ и реже мазут. Вы­сокая температура терми­ческой обработки (1240—

1320°С) и длительное охла­ждение (быстрое до 700° С и далее — замедленное) делают этот процесс весьма ответственным и требующим самого пристального внимания. Температура в печи в течение всего процесса контро­лируется при помощи платинородиевых термопар, оптических пирометров и керамических пироскопов. Газовая среда и давление контролируются при помощи автоматических газоанализаторов.

Для создания более равномерной температуры в печи и лучшей дифференциации режима термической обработки бруски и мелко­зернистые круги обжигают в туннельных щелевых электрических или газовых печах (рис. 11).

Температурный режим термической обработки (особенно об­жига и остывания) зависит от ряда факторов и, в частности, от теплопроводности абразивных инструментов, от метода и плот­ности установки обжигаемых изделий в печь, от характеристики абразивных изделий, от вида связки, от типа печи и т. п. На фи­зико-механические свойства абразивных изделий влияет и состав газовой среды. Термическую обработку изделий на борсодержа­щих связках следует вести в восстановительной атмосфере, так как при этом они получают более высокую прочность при разрыве, ударе и изгибе. Чем крупнее зернистость обжигаемых абразивных
инструментов и меньше плотность установки изделий в печи, тем меньше может быть продолжительность обжига. Абразивные ин­струменты из карбида кремния, имеющие более высокую тепло­проводность, чем электрокорундовые, требуют менее длительной термической обработки. Обжиг и охлаждение в туннельных и осо­бенно в щелевых печах происходит быстрее, чем в периодических.

От правильности назначения температурного режима (скорости подъема температуры, длительности выдержки при конечной темпе­ратуре и ее величины, среды и давления) и от успешности его про­ведения в значительной степени зависит прочность, равномер­ность и твердость абразивных инструментов.

Процесс термической обработки абразивных инструментов вы­зывает в них значительные температурные напряжения, которые при неправильном ведении процесса приводят к трещинам и дру­гим изменениям формы. Эти напряжения (разные по знаку) обра­зуются в результате разности температур между наружными и внутренними частями абразивных инструментов. Наружные части нагреваются быстрее, чем внутренние, а остывают медленнее. Величина этих напряжений зависит от теплопроводности абразив­ного инструмента. Теплопроводность мелкозернистых абразивных инструментов значительно меньше, чем среднезернистых и крупно­зернистых. Поэтому и режимы термической обработки мелкозер­нистых абразивных инструментов более длительные.

Чем меньше толщина абразивных инструментов и чем больше их диаметр, тем опаснее возникающие деформации и равномернее должны быть их обогрев и остывание. Если напряжения превосхо­дят прочность тела абразивного изделия, то в нем образуются тре­щины. Часто эти трещины скрыты под коркой, причем наиболее опасными являются трещины, идущие от отверстия к периферии круга.

После обжига абразивные изделия поступают на механическую обработку. Формование абразивных изделий методом литья отли­чается от описанного выше тем, что абразивное зерно и связка дли­тельное время (до 20 ч) смешиваются в смесителях с добавлением определенного количества воды, после чего масса заливается в формы-кольца и сушится в течение нескольких суток. В процессе сушки влага испаряется и в форме остается высушенное изделие, которое затем подвергается предварительной механической обра­ботке для снятия части припуска. После этого изделие подвергают термической обработке, а затем окончательной механической обра­ботке; затем у изделий контролируют твердость, прочность, урав­новешенность и точность геометрических размеров. Этим методом за рубежом изготовляют круги зернистостью мельче № 25, т. е. такие, у которых зерно в жидкой абразивной массе находится во взвешенном состоянии, так как круги с более крупной зернистостью получаются неоднородными. У нас этот метод заменен прессова­нием.

Инструменты на бакелитовой связке. Производство абразив­ных инструментов на бакелитовой связке, удельный вес выпуска и применения которых составляет около 40% общего выпуска, отличается от технологии изготовления кругов на керамической связке в основном операцией термической обработки. Связующими веществами при производстве изделий на бакелитовой связке являются продукты фенолформальдегидных смол: жидкий или порошкообразный бакелит, увлажненный жидким бакелитом.

Применяемый для изготовления абразивных инструментов бакелит должен иметь вязкость 50—400 сек. Повышение вязкости снижает клеящие и смачивающие свойства бакелита. Плотность жидкого бакелита 1,2—1,25 г! смъ. Температура плавления 100— 115° С.

Абразивная масса приготовляется путем смешения абразивного зерна с заданным по рецепту количеством связки и наполнителем, в качестве которого используются алебастр, глины, асбест и другие вещества. Наполнители служат для повышения прочности и облег — чения формования при применении в качестве связки жидкого бакелита. Прочность кругов, изготовленных на порошкообразном бакелите, выше, чем на жидком бакелите. В зависимости от зер­нистости предел прочности при растяжении этих кругов состав­ляет 100—200 кГ/см*.

Процесс изготовления абразивных инструментов на порошко­образном бакелите обладает рядом преимуществ по сравнению с процессом производства их на жидком бакелите: большей произ­водительностью, лучшим разравниванием массы и др. Поэтому в качестве связки применяют главным образом пульвербакелит, имеющий объемный вес 0,45—0,5 el см9.

Формование абразивных инструментов на бакелитовой связке производится на механизированных и автоматизированных гидрав­лических и частично фрикционных прессах. Сразу после формо­вания изделия поступают на бакелизацию, в процессе проведения которой бакелит переходит из жидкой стадии в твердую и подвер­гаемые бакелизации изделия получают заданную твердость и проч­ность. Процесс перехода бакелита из жидкой стадии в твердую называется полимеризацией. Этот процесс является химическим процессом, сопровождаемым экзотермической реакцией и ‘соеди­нением молекул бакелита. В процессе полимеризации бакелит из жидкой стадии А переходит сначала в промежуточную стадию В (при температуре около 50° С) и затем в твердую стадию С. Баке­лит в стадиях В и С нерастворим.

Бакелизация производится при постепенном нагреве заформо — ванных изделий в специальных бакелизаторах периодического или непрерывного действия до температуры 170—200° С в течение опре­деленного времени. От бакелизации зависит точность получения изделий заданной характеристики, поэтому этот процесс контро­лируют при помощи автоматических терморегуляторов. Вследствие

небольшой температуры, при которой происходит процесс бакели — зации, образующиеся при этом напряжения малы, поэтому абра­зивные изделия диаметром до 300 мм можно выпускать без обта­чивания.

Существует и другой способ изготовления абразивных инстру­ментов на бакелитовой связке. Этот способ отличается тем, что операция бакелизации производится непосредственно на прессе, т. е. объединена с операцией формования. Такой способ произ­водства, называемый горячим прессованием, применяют главным образом для изготовления абразивных инструментов небольшой толщины. Бакелизация при горячем прессовании осуществляется путем нагрева массы через прессформу до требуемой температуры, причем нагревательными элементами являются электроплиты пресса, осуществляющие одновременно и давление.

Методом горячего прессования изготовляют шлифовальные круги с прокладками из текстиля, стекловолокна и других мате­риалов, применяемых для повышения прочности кругов, необхо­димой для осуществления скоростного шлифования при скорости резания до 80 м/сек и выше, а также алмазные круги.

Твердость изделий, изготовленных методом горячего прессова­ния, обычно получается более однородной,-однако этот способ ме­нее производителен, требует значительно большего количества прессов, а потому и более дорогой.

Шлифовальные отрезные круги получают из абразивной массы на жидком бакелите методом прокатки на вальцах.

Инструменты на вулканитовой связке. Удельный-вес выпуска абразивных инструментов на вулканитовой связке составляет около 5%. В качестве сырья для их производства, кроме абразив­ного зерна, используют связующие вещества — синтетические или натуральные каучуки, серу, являющуюся вулканизирующим агентом, т. е. компонентом, от воздействия которого каучук пере­ходит в эбонит; различные мягчители, при введении которых понижается жесткость каучука; ускорители процесса вулканиза­ции и наполнители, вводимые в массу для уменьшения прилипания и повышения прочности и твепдости изделий.

Технология производства абпазивного инструмента на вулкани­товой связке значительно отличается от технологии производства кругов на керамической и бакелитовой связках.

Исходное сырье — натрийбутадиеновый каучук — представ­ляет собой весьма упругий, но малопластичный материал. Предва­рительно хорошо высушенный, он смешивается с серой на смеси­тельных вальцах до получения одноподной массы с наполнителем и каким-либо ускопителем вулканизации (наппимеп, каптаксом или тиурамом) и фактисом (мягчитель, ппи помощи котопого регу­лируется получение изделий необходимой твепдости) ИЛИ ДПТИМ видом мягчителя. Затем в массу вводят в заданном количестве абразивное зерно, и смешение продолжается. Таким образом, 48

операции смешения связки и массы совмещаются. В течение всего времени смешения вальцы непрерывно охлаждаются водой.

Формование изделий небольшой толщины (до 12—15 мм) заменяется прокаткой смешанной ранее массы в листы требуемой толщины на прокатных вальцах и вырубкой из них заготовок изделий при помощи штампов на вырубных прессах. Изделия толщиной свыше 12—15 мм формуют путем спрессовывания вы­рубленных заготовок—пластин массы в прессформах требуемых размеров при давлении от 200 до 400 кГ/см2 с выдержкой в тече­ние 5—300 сек в зависимости от толщины и твердости формуемого изделия.

Указанные методы смешения и формования массы вызывают некоторое дополнительное измельчение абразивного зерна, боль­шее, чем при прессовании на других связках, и затрудняют меха­низацию и автоматизацию процессов производства кругов на вул­канитовой связке. В связи с этим проводятся работы по замене этих способов методом прессования, особенно при производстве кругов, предназначенных для обработки жаростойких сплавов. При шлифовании кругами, изготовленными методом прессования, к ним меньше налипает снимаемая стружка, поэтому они и реко­мендуются для шлифования изделий из вязких металлов и сплавов.

Через некоторое время вырубленные и заформованные изделия поступают на вулканизацию, в процессе проведения которой йз — делия получают заданную твердость и прочность. Вулканизация проводится в печах непрерывного действия при постепенном на­греве изделий до заданной температуры (обычно 160—200° С) в течение определенного времени. Режим вулканизации так же, как и бакелизации абразивных изделий, выдерживается путем регулирования температуры специальными автоматическими тер­морегуляторами, снабженными самопишущими устройствами. Аб­разивные инструменты на вулканитовой связке обрабатываются теми же способами, которые применяются в производстве абра­зивных инструментов на керамической и бакелитовой связках.

Различная твердость абразивных инструментов на вулканито­вой связке достигается применением связок разных составов. Степень твердости связки зависит от содержания серы, мягчите­лей и наполнителей. Абразивные инструменты специального на­значения, например для шлифования деталей подшипников, изго­товляются по специальной рецептуре.

Инструменты на других связках. К числу выпускаемых в не­больших количествах абразивных инструментов на других связ­ках относятся круги на силикатовой и глифталевой связках. Круги на силикатовых связках (натриевое жидкое стекло) приме­няют для шлифования деталей, особо чувствительных к нагреву. Эта связка менее прочно удерживает абразивные зерна, чем дру­гие. Поэтому круги на этой связке изготовляют мягких степеней твердости, обеспечивающих меньший нагрев, чем круги на керами­

ческой и бакелитовой связках. Круги на силикатовой связке менее подвержены действию щелочей, чем круги на бакелитовой связке, и поэтому более предпочтительны, чем последние.

Круги и бруски на глифталевой связке применяют для поли­ровальных и доводочных операций и, в частности, для шлифова­ния прокатных валков, полирования поршневых пальцев, до­водки жолобов колец подшипников ит. п., где требуется чистота поверхности 10—13-го класса. Технологический процесс их про­изводства аналогичен процессу производства инструментов на бакелитовой связке, но прессование ведется при удельных давле­ниях 500—800 кГ/см2.

В настоящее время ВНИИАШем разрабатывается технология производства кругов на поропластовой основе, которые найдут широкое применение для шлифования и полирования изделий из нержавеющих и других сталей. Преимуществом этих кругов яв­ляется их малый вес и высокая пористость