Абразивни инструменти и материали

Абразивните инструменти са удобно и лесно приложимо средство за механична абразивна обработка на различни материали. Обработката на материалите се отличава с бързина, високо ниво на безопасност, ефективност и т. н. По форма, свойства и структура те съществено се различават от други видове режещи инструменти. Абразивните инструменти могат да работят при скорости, значително превъзхождащи скоростите на рязане на металообработващите инструменти, като обработват различни по свойства материали от меки до много твърди материали като закалени стомани. Подразделят се основно на две групи – твърди и гъвкави. Твърдите абразивни инструменти най-често са под формата на шлифовъчни дискове, брусове и други. Сред основните изисквания към твърдите абразивни инструменти с оглед осигуряване на безопасност при работа с определена максимално допустима периферна скорост е да притежават определена якост и да бъдат уравновесени.

Към гъвкавите се включват предимно различните видове шкурки. Предлагат се и абразивни пасти и прах. В процеса на обработка на материала с абразивни инструменти, от повърхността може да бъде снет слой с дебелина от няколко милиметра до по-малко от микрометър.

Получаването на абразивни материали с голяма честота и добри физико-механични свойства зависи от наличието на висококачествени изходни суровини и материали. Използваните абразивни материали за инструментите могат да бъдат с естествен или изкуствен произход. Обикновено са ситнозърнести или праховидни вещества с голяма твърдост, режеща способност и ръбеста форма. Сред основните изисквания към тях са те да бъдат износоустойчиви и топлоустойчиви, да имат оптимална крехкост и химична инертност към обработваните материали и работна среда.

Естествени и изкуствени абразивни материали
Към естествените абразивни материали се отнасят кварцът, корундът, естественият диамант и други. С изключение на естествения диамант, останалите материали имат много ограничено приложение поради малката твърдост, непостоянството в химичния състав и механичните свойства и наличието на примеси. От своя страна, синтетичните абразивни материали се характеризират с висока твърдост, по-постоянни качества поради очистването от примеси и по-еднороден химически и зърнометричен състав, поради което са и предпочитани при производството на различни видове абразивни инструменти. Всеки един е с определена област на приложение, зависеща както от неговите, така и от физико-механичните свойства на обработвания материал.
Към синтетичните абразивни материали се включват различни видове електрокорунд - нормален, бял, рубин, легиран; силициев карбид - черен, зелен; борен карбид; кубичен борен нитрид.

Електрокорундът се получава от стопен в електрически пещи корунд. Получените разновидности са с висока степен на чистота -–около 92-96% за нормален, 97-99% за бял и 99% за рубин. Нормалният електрокорунд се използва предимно при грубо почистване, предварително и окончателно шлифоване на материали с голяма якост на опън като легирани стомани, ковък чугун, мек бронз, както и за рязане на чугунени и стоманени детайли. Белият електрокорунд намира приложение при окончателно шлифоване на закалени стомани, бързорезни въглеродни и легирани стомани, сплави, ковък чугун и други.

Рубин-корундът се използва за междинно и фино шлифоване на детайли от легирани и закалени стомани с малка топлопроводимост.

Легирането на електрокорунда обикновено е чрез прибавяне на хромов, титанов или циркониев окис. Легираният корунд е подходящ при обработването на керамика, мек бронз, пластмаси.

Силициевият карбид е по-твърд от електрокорунда, но по-крехък. Произвежда се предимно в зелен и черен цвят, като материалите се различават малко по състав и свойства. Черният силициев карбид обикновено е с чистота от порядъка на 96-98% и се използва при шлифоване и рязане на метали с голяма якост на удар, с малка якост на опън като крехък бронз, сив и избелен чугун, твърди сплави, мед, месинг, алуминий. Зеленият силициев карбид е много твърд и крехък материал с чистота обикновено над 98%. Използва се предимно за шлифоване и полиране на твърди сплави, огнеупорни (титаниеви) стомани, минерали, керамика, за заточване на твърдосплавни режещи инструменти и др.

Борният карбид е материал, който е с по-висока твърдост от електрокорунда, но е крехък и с по-малка топлоустойчивост. Използва се предимно за полиращи и заглаждащи пасти.

Кубичният борен нитрид е представител на свръхтвърдите материали. Познат е още и като боразон, кубонит и елбор. Твърдостта му е близка до тази на диаманта, но за разлика от него издържа на по-високи температури (до 2000 оС). Използва се за заточване на режещи инструменти от най-твърдите стомани.

Синтетичният диамант е материалът с много висока твърдост и устойчивост. Характеризира се и с изключително добри режещи свойства. Широко използван е в производството на шлифовъчни дискове за заточване на твърдосплавни инструменти.
Основни характеристики на изкуствените абразивни материали са вид и зърнистост.
Зърнистостта се определя от вида и характера на шлифовъчната операция, прибавката за снемане и свойствата на обработвания материал. По-меките материали се обработват с едрозърнест, а по-твърдите - с дребнозърнест.

Размерът на абразивните зърна, влизащи в конструкцията на абразивните инструменти, е определящ за производителността им и качеството на обработената повърхнина. При използване на по-големи по размер прахове за абразивни дискове те могат да работят с по-големи стойности на надлъжното, напречното подаване и дълбочината на рязане, но се получава по-грапава обработена повърхнина.

Зърнистостта влияе и върху производителността на заточването и получаваната грапавост на шлифованите повърхнини на инструментите.

Абразивните материали в зависимост от големината на зърната обикновено се категоризират в шест групи - много едри 8-12, едри 14-24, средни 30-60, фини 70-120, много фини 150-240 и микропрах 280-600.

Абразивната способност на материалите зависи от тяхната твърдост, структура и якост. Тези свойства определят различната им способност на надробяване, т. е. получаването на зърна с различна форма, ъгли, радиуси на закръгление.

Абразивни инструменти
Качеството на абразивните инструменти се определя основно от режещите свойства на зърната, свойствата на свързващите вещества и структурата на абразивния инструмент.

На абразивните инструменти се означават материалът, зърнистостта, твърдостта, свръзката, структурата, формата, размерите, допустимата максимална периферна скорост и заводът производител.

Твърдостта характеризира свойството на инструмента да се съпротивлява срещу нарушаване на сцеплението между зърната и свръзката и съхраняване на характеристиките на инструмента в определените граници. Необходимо е обаче свръзката да държи здраво зърната само докато са остри и снемат стружки. След затъпяване на зърната, които са разположени по работната повърхнина на диска, свръзката трябва да позволява отделянето им, за да влязат в работа лежащите под тях зърна с остри ръбчета. Този процес е познат като самозаточване на диска. Характерен е и при отчупване или разцепване на затъпените зърна, при което също се получават остри ръбчета.

Твърдостта на абразивните инструменти оказва пряко влияние върху производителността на процеса и качеството на обработваната повърхност. Тя зависи от качеството и количеството на свръзката, от абразивния материал, грапавостта и конфигурацията на абразивните зърна, от технологичния процес и други. Скалата на твърдост на абаразивните инструменти включва осем основни степени на твърдост.
Препоръчва се меките метали да се шлифоват с по-твърди инструменти, а твърдите с по-меки.

Дребнозърнестите инструменти трябва да са по-меки от едрозърнестите в едни и същи условия на работа.

Под структура на абразивния инструмент обикновено се има предвид съотношението на обема абразивен материал, свръзката и порите в абразивния инструмент. Абразивните инструменти се произвеждат обикновено с 12 номера на структурата. Изработват се и високопорести абразивни инструменти (с номера над 12), които имат голяма обемна порестост и повишена режеща способност и производителност. Изборът се определя от вида на шлифовъчната операция, обработвания материал и изискванията към качеството на обработената повърхнина.

Свързващи вещества
Твърдостта и структурата на абразивните инструменти до голяма степен зависят от използваната свръзка. При изработването на абразивни инструменти се използват неорганични и органични свързващи вещества. Видът на свързващото вещество оказва съществено влияние върху устойчивостта и режима на работа на абразивния инструмент. Свръзката придава на работния слой определени свойства като топлопроводност, жилавост, устойчивост на влага и агресивни среди.

Органичната свръзка най-често е бакелитова или вулканитова. Характеризира се с ниска топлоустойчивост и нетоплопроводност. Използва се предимно при дискове за шлифоване, заточване, отрязване. Тя осигурява жилавост и висока производителност.
Абразивните инструменти от течен и прахообразен бакелит имат по-висока якост особено на натиск, в сравнение с инструментите с керамична свръзка и достатъчна еластичност. Висока устойчивост на свръзката позволява производството на абразивни инструменти, подходящи за работа при високи скорости на рязане. Характеризира се с малко топлинно съпротивление и в сравнение с други свръзка тя нагрява в по-малка степен обработвания детайл. Бакелитната свръзка има и полиращо действие и намалява грапавостта на повърхностите.

Добре е да се има предвид обаче, че бакелитната свръзка е неустойчива на въздействието на охлаждащите течности, съдържащи алкални разтвори. По тази причина се препоръчва при работа с абразивни инструменти с бакелитна свръзка да не се използват смазочно-охлаждащи течности със съдържание на алкални разтвори над 1,5%. За да се намали вредното въздействие на алкалните разтвори, често по повърхността на инструмента се нанасят различни водоустойчиви бой. Инструментите се характеризират с ниска порьозност, което затруднява отделянето на стружката. При високи температури от порядъка на 200 - 250 оС здравината на бакелитната свръзка и силата на сцепление със зърната намаляват, което ускорява износването на абразивния инструмент.

Абразивните инструменти с бакелитна свръзка се правят от нормален електрокорунд и черен силициев карбид и по-рядко от бял и зелен силициев карбид.
Вулканитната свръзка се състои от изкуствен каучук с вулканизиращи добавки. Характеризира се с голяма еластичност и гъвкавост. Инструментите с вулканитова свръзка се считат за подходящи не само за предварително шлифоване, но и за окончателни шлифовъчни операции, а също така и за полиране.

Поради по-голяма еластичност на абразивните инструменти с вулканитна свръзка, в сравнение с инструментите с бакелитна и керамична свръзка, при увеличаване на натиска върху детайла абразивните зърна потъват в свръзката и инструментите режат с по-малка дълбочина, вследствие на което тези инструменти са широко използвани за довършителни операции.

Шлифовъчните дискове с вулканитна свръзка, за разлика от тези с керамична свръзка, могат да бъдат с много голям диаметър и много малка дебелина.

Широко използвана неорганична свръзка е керамичната. В повечето случаи тя представлява многокомпонентна смес, включваща определено количество от няколко материала - огнеупорна глина, фелдшпат, каолин, кварц и др. Могат да бъдат добавени и допълнителни вещества за повишаване на пластичността и за улесняване на формоването. Предлагат се и еднокомпонентни свръзки. Керамичната свръзка е огнеупорна, водоустойчива, химически устойчива и с голямо съпротивление срещу разкъсване.

Дисковете с такава свръзка заточват инструменти при използване на мазилно–охлаждаща течност.

Като недостатък на керамичната свръзка се посочва нейната висока чувствителност на удар, поради което инструментите с такава свръзка не могат да се използват при ударни натоварвания.

Абразивни инструменти от свръхтвърди материали
Абразивните инструменти от свръхтвърди материали (диамант, кубонит) се състоят от тяло и работна част, която най-често е с формата на пръстен. За тялото обикновено се използва алуминиева сплав, стомана или бакелит. Работната част се състои от абразивни зърна от свръхтвърд материал, свръзка, пълнители и пори.
За изработване на шлифовъчни дискове от диамант и кубонит се използват органични, метални и други свръзки. Обикновено органичните свръзки, освен фенолформалдехидни смоли и композиции на основа на тези смоли, съдържат и различни активни и инертни пълнители (борен карбид, електрокорунд, зелен силициев карбид, графит, железен прах, талк, бариев сулфат и др.). Инструментите се характеризират с добра режеща способност и висока производителност.

Металните свръзки се състоят от различни композиции на основа на цветни метали, които се подбират така, че температурата на спичане на работния слой да бъде по-ниска от температурата на изгаряне на диамантените зърна. Абразивните инструменти с подобна свръзка се използват за грубо шлифоване. Те не са подходящи за заточване на твърдосплавни дърворежещи инструменти. При работа с тях задължително се използва охлаждаща течност.