ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕРЕН

Действующая технология производства абразивных материалов определяет различные условия для роста кристаллов. Так, у кри­сталлов электрокорунда, образующихся в середине блока, размеры больше, чем у кристаллов по краям блока; кристаллы карбида кремния в непосредственной близости от источника тепла (керна печи) вырастают больших размеров, чем кристаллы, образующиеся в более далеких зонах печи. Вместе с тем как кристаллы электро­корунда, так и кристаллы карбида кремния не имеют плоскостей спайности. Вследствие этого зерна абразивных материалов не получают при дроблении определенной и однородной формы. Среди них имеются зерна, приближающиеся к неправильным пирами­дальным, кубическим, шаровидным многогранникам различных форм, пластинкам и другим весьма разнообразным формам.

Вместе с тем форма зерен, величина углов, острота и прямо­линейность кромок имеют существенное влияние на их абразивную способность, износ и механическую прочность, а также на силу сцепления зерен со связующим веществом и на однородность абразивных инструментов по их твердости. Каждое абразивное зерно, участвующее в резании, является резцом. Отсюда его наи­выгоднейшей формой должна быть такая, которая обеспечивает при любом его расположении максимальную работоспособность. Такой формой является изометричная с отношением длины, ши­рины и толщины, приближающимся к 1, лучше сопротивляющаяся скалывающим силам, возникающим при шлифовании, и обеспе­чивающая более высокую шлифующую способность и износостой­кость. Но так как характер и свойства абразивного материала,

а также существующие средства дробления не позволяют придать зернам определенные наивыгоднейшие формы, то они носят слу­чайный характер. В частности, форма зерен зависит и от применяе­мых средств дробления: при дроблении на вальцах получаются зерна с более острыми углами и гранями, чем при дроблении в ша­ровых или стержневых мельницах, где зерна получают форму с большими радиусами округлений.

Прочность зерен зависит также от вида абразивного материала и их размеров.

Наибольшее количество зерен электрокорунда имеют отноше­ние длины к ширине и толщине 1,3 : 1 : 0,7. Форма зерен у ЭТ более изометричная, чем у Э и ЭБ, поэтому содержание основной фракции в зерне ЭТ приближается к 55%. Зерна карбида кремния

Рис. 20. Профилограмма шероховатости поверхности кристалла кар

бида кремния

как и зерна электрокорунда, имеют форму неправильных много­гранников с более заостренными и гладкими гранями. При дроб­лении зерен карбида кремния получаются пластинчатые, иголь­чатые, мечевидные и им подобные кристаллы, длина которых в 2—3 раза больше их поперечного размера и которые вследствие этого менее прочны, чем изометричные. Объем и поверхность изо — метричных зерен больше, чем игольчатых, и прочность их сцеп­ления со связкой также больше.

Волжским отделением ВНИИАШа предложена классифика­ция, позволяющая разделять зерна по их форме и повышать со­держание основной фракции до 60% и больше.

Размеры зерен и их насыпной вес зависят от прочности зерен.

Зерна карбида кремния имеют больше прямолинейных режущих кромок и более сложную конфигурацию, чем зерна электрокорунда. Многие зерна карбида кремния имеют грани с блестящей зеркаль­ной поверхностью, чистота которой достигает 13—14-го класса, причем некоторые зерна имеют такую поверхность с двух сторон.

Результаты измерения шероховатости поверхности кристалла карбида кремния приведены на рис. 20. Измерение производили на индуктивном профилографе-профилометре Калибр-ВЭИ при увеличении глубины неровностей в 120 тыс. раз и расстояний между ними в 450 раз. Глубина неровностей поверхности не пре­вышает 0,01 мк (1,2 мм на рисунке), т. е. чистота поверхности дан­ного кристалла соответствует 14-му классу.

Такой класс чистоты граней зерен карбида кремния улучшает способность врезания зерен в обрабатываемый материал, требуя 68

меньшей затраты мощности. Но ухудшение сцепляемости зерен карбида кремния вызывает выпадание даже неработающих зерен.

Зерна электрокорунда имеют шероховатую поверхность и более простую конфигурацию, пластинчатых зерен среди них встре­чается значительно меньше, игольчатых почти нет. Зерна моно­корунда (рис. 21), каждое из которых большей частью является монокристаллом, а не его осколком, имеют большее по сравнению

Рис. 21. Мопокорунд

с электрокорундом количество граней (зазубрин). Зерна моно­корунда вместе с тем содержат меньше пороков-раковин, пустот и т. п., чем зерна электрокорунда.

От формы зерен одних и тех же размеров зависит их вес и раз­меры их поверхности, что имеет весьма существенное значение, так как для данного абразивного материала определяет число зерен в абразивном инструменте.

От формы зерен зависит также их расположение в абразивном инструменте, прочность их сцепления и работа абразивного ин­струмента. Так, зерна неправильной формЕл, как правило, являю­щиеся сростками двух или более зерен, имеют меньшую прочность, чем монолитные, и быстрее обламываются. Каждое зерно имеет несколько граней, образующих в пересечениях углы при вершинах от 30 до 130°, причем большая часть углов 100—130°. Зерна в круге образуют главным образом отрицательные передние углЕЛ. Отри­цательный же передний угол у резца, как известно, создает более

тяжелые условия резания, что способствует развитию высокой температуры.

Зерна карбида кремния, как правило, имеют несколько более острые углы, чем зерна электрокорунда, причем чем выше содер­жание основной составляющей в карбиде кремния, тем острее углы при вершинах.

Зерна № 80—16 имеют радиусы округлений вершин в пределах 200—4 мк, а № 4—16 имеют радиусы округлений 25—7 мк. Чем мельче зернистость, тем меньше радиусы округлений, поэтому порошки и микропорошки могут снимать более тонкие стружки.

У зерен карбида кремния радиусы округлений вершин, как правило, в 2—4 раза меньше, чем у зерен электрокорунда.

Микропорошки М40—М28 имеют радиусы округлений 2—5 мк, М7—5М — радиусы 0,08—0,85 мк и Ml— М5 — радиусы 0,05— 0,45 мк. Чем меньше угол при вершине зерна, тем меньше его проч­ность, тем скорее оно обламывается в работе.

Углы при вершинах алмазных зерен на 20—40% меньше, чем при вершинах абразивных зерен. Так, у зерен из природных ал­мазов № 16—8 они равны 110—60°, а у зерен из синтетических алмазов марки АСО— 90—35°. Радиусы округлений зерен из природных алмазов этих зернистостей равны 1—6 мк и у зерен синтетических алмазов 0,5—5 мк, т. е. также меньше, чем у абра­зивных зерен. Таким образом, синтетические алмазы острее при­родных, что определяет возможность снятия алмазными инстру­ментами из них более тонкой стружки и получения более высокого класса чистоты поверхности.

Как известно, нормально заточенные токарные резцы имеют радиусы округлений около 15—20 мк. Доведенные резцы имеют радиусы 7—12 мк. При радиусе резца 120 мк им фактически рабо­тать нельзя. На режущей поверхности абразивного инструмента всегда имеется значительное число зерен, имеющих вершины с такими радиусами, при которых резание протекает с затрудне­нием или совсем не совершается; в этом случае происходит уплот­нение металла.

Форма зерен, расположенных на режущей поверхности, их углы и радиусы округлений непрерывно меняются в процессе работы абразивного и алмазного инструмента в результате износа, выкрашивания и правки. Особенно изменяет форму зерен, а сле­довательно, производительность шлифования, класс чистоты по­верхности и стойкость абразивного инструмента, правка.

ЗАДАЧИ ПРОИЗВОДСТВА АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Абразивные инструменты, состоящие из миллионов зерен в отличие от металлических режущих инструментов состоят из двух разнородных материалов — зерна и связки, резко отличаю­щихся по своим физико-механическим свойствам. Абразивные зерна, находящиеся в одном абразивном инструменте, отличаются по форме, размерам в пределах, допускаемых данным номером зернистости, и расположению их. Эти факторы предопределяют некоторую неоднородность абразивных инструментов одинаковой характеристики и их разную работоспособность при одних и тех же условиях работы. В значительной степени на нестабильность ка­чества абразивных инструментов влияют также способы их произ­водства. В частности, чем мельче размол связки и лучше однород­ность смешения компонентов связки и абразивной массы, тем одно­роднее будет абразивный инструмент. Поэтому одной из первосте­пенных задач является более широкое внедрение фриттованных и, в частности, борсодержащих связок, что позволит не только повы­сить прочность абразивных инструментов, но и их стойкость, ста­бильность качества и снизит опасность возникновения прижогов. Чем лучше равномерность распределения массы в прессформе, точнее вес массы, тем более одинаковая будет ее плотность, тем однороднее будет твердость и структура абразивного инструмента. Чем меньше перекос плит пресса при формовании и более одина­ковы условия термической обработки (в частности, температура и время нахождения инструмента), тем точнее произведена меха­ническая обработка, однороднее будет степень твердости, лучше уравновешенность абразивных инструментов, выше прочность и стабильнее их качество.

Чем мельче зернистость, тем длительнее должно быть время смешения для достижения однородности массы. Чем мягче должен быть абразивный инструмент, тем труднее получить высокую прочность, тщательнее должно производиться смешение зерна и компонентов связки. Особенно необходимо соблюдение этих усло­вий при формовании тонких кругов, так как чем меньше их высота, тем труднее достигается равномерность плотности массы, больше опасность дисбаланса.

Для достижения максимальной степени однородности качества абразивных инструментов необходимо максимально автоматизи­ровать и механизировать процесс производства абразивных мате­риалов и инструментов, чтобы тем самым исключить влияние не­точности ручных операций.

Опыт создания и работы автоматических агрегатов для произ­водства кругов и сегментов на бакелитовой и на керамической связках показал, что при этом повышается не только производи­тельность, но и точность достижения заданной рецептом твердости круга (до 75—80%), улучшается однородность качества как в от­дельном круге, так и в партии кругов.

Применение на механизированных гидравлических прессах разравнивающих устройств и пневматической подачи массы в пресс — форму позволило улучшить получение заданной степени твердости и улучшить балансировку кругов.

Для кругов небольшой толщины класса А и прецизионных необходимо применять метод прессования с гидравлической подушкой, при котором запрессованные заготовки получают одина­ковую плотность по всей площади, несмотря на неточность распре­деления массы в прессформе. Для этой же цели целесообразно шире применять гидростатическое формование.

Опыт создания щелевых электрических и газовых туннельных печей показал, что одновременно с повышением степени равномер­ности температуры в них повышается равномерность твердости кругов и достижение твердости, установленной рецептурой, так как в такой печи круги находятся в более одинаковых температур­ных условиях, чем в обычной туннельной печи. Поэтому первая задача заключается в широком распространении этого опыта для изготовления всех подобных типоразмеров абразивных инстру­ментов.

Совершенно необходимой является разработка автоматических агрегатов для кругов фасонных профилей, кругов прямого про­филя диаметром свыше 500 мм, кругов на вулканитовой связке и др., а также создание конструкций, гарантирующих большую однородность смешения связки и массы, особенно для мелкозер­нистых кругов.

Для достижения большей точности геометрических размеров прецизионных абразивных инструментов и, в частности, диаметров отверстий и плоскостей кругов необходимо внедрять алмазную обработку с применением для этой цели жестких и точных станков.

Повышение стабильности качества абразивных инструментов в значительной степени зависит от однородности абразивных ма­териалов. Как известно, в каждом металлургическом производстве однородность качества в первую очередь определяется постоян­ством качества сырья. Такое же положение имеет место и в произ­водстве абразивных материалов и шлифовальных кругов. Поэтому второй задачей является повышение степени постоянства приме­няемых сырьевых материалов: бокситов, глинозема, антрацита, кварцитов, шпата, глины, клея и др.

Опыт создания и применения специальных связок, в частности, борсодержащих, показал необходимость увеличения объема вы­пуска таких связок. Необходимо также форсировать применение в качестве связки или ее компонента перлита для дальнейшего повышения стойкости абразивных инструментов.

Третьей задачей является повышение качества абразивных материалов, особенно электрокорунда, путем повсеместного пере­хода на плавку непрерывным способом и более широкого внедре­ния различных способов обогащения: магнитной сепарации, про­калки зерна при температуре —1000° С, эффективно повышающей его прочность, корректировки формы зерна для повышения его прочности, улучшения гранулометрического состава, повышения основной фракции зерна, химического обогащения для уменьше­ния примесей и т. п. Необходимо разрабатывать новые модифика­ции электрокорунда с различными присадками, повышающими

твердость и прочность абразивного зерна, в частности с присадкой циркония, а также повышать содержание окиси алюминия и сни­жать окись железа.

Четвертой задачей является создание специального абразив­ного оборудования для повышения его сроков службы, обеспече­ния более высокой точности и повышения качества работы. В ча­стности, необходимо разработать гамму гидравлических автома­тизированных прессов для всех размеров и профилей кругов. Очень важно решить задачу механизации процессов разборки печей карбида кремния и его сортировки и др.

Особой задачей является создание технологии производства абразивных инструментов для очень больших съемов металла, а также увеличение выпуска кругов открытых структур, обеспечи­вающих высокую прочность закрепления зерен.