Шлифовъчни колела в металообработката

Инструменти, материалиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2/2022 • 11.04.2022

  • Начинът на свързване на абразивните зърна е също толкова важен, колкото и самите зърна

  • Основното при встъклената връзка е присъствието на силикатен материал с ниска точка на топене, като боросиликатно стъкло или оловно стъкло

  • Кубичният борен нитрид, наричан още боразон, елбор, кубонит, (CBN) е изкуствен суперабразив, чиито шлифовъчни качества превъзхождат тези на диаманта

Шлифоването е процес на механична обработка посредством абразив, която цели постигането на гладкост и точност на повърхността на детайлите. Шлифоването е практика във всяко металообработващо предприятие. Някои операции по шлифоване, като изчистване на отливки, шлифоване на заваръчни шевове или шлифоване на стенд, са сравнително прости. Други дейности за повърхностна обработка могат да бъдат сложни, като например тези, към които изискванията за минимални допуски на отклонение са много високи, или прилаганите върху трудни за обработка материали. Шлифоването има широк спектър от приложения в производството.

Както при много процедури, изборът на най-добрия инструмент е от решаващо значение.
Въпреки че при тях режещите ръбове са с много по-малки размери и в произволна поредност, шлифовъчните колела представляват режещи инструменти и изпълняват сходни задачи с тези на фрези, пробивни и стругови инструменти. Независимо дали става дума за оформяне на отливки или за шлифоване на зъбни колела, принципът на работа на шлифовъчните колела е подобен.

 

Технологично развитие на шлифовъчните дискове

Абразивите се използват за обработка на повърхностите от различни материали чрез снемане на тънки стружки, посредством технология, позволяваща прецизно достигане на желаните размери и повърхнини на обработваните детайли. Шлифовъчни дискове се произвеждат от различни видове абразивни материали, от алуминиев оксид – най-мекият и най-често срещаният, до диамант, който е най-твърдият и най-скъпият абразив.

Шлифовъчните дискове се изработват от естествени или синтетични абразивни минерали, свързвани в матрици. Производствената индустрия познава шлифовъчните колела вече повече от 150 години, тъй като за производителите те осигуряват ефективен начин за оформяне и финишна обработка на металните детайли. Често абразивите са единственият начин за създаване на части с прецизни размери и качествени характеристики на повърхността. Днес шлифовъчните колела се появяват в почти всяка производствена компания, където имат функции, вариращи от заточване на инструменти през почистване и подготовка на повърхности за нанасяне на покритие до постигане на краен завършен вид на едно изделие. Например прецизността на автомобилните разпределителни валове и роторите на реактивните двигатели се дължи именно на обработката с шлифовъчни колела. Без тях не биха могли да се произвеждат качествени лагери.

С развитието на технологиите различни материали намират приложение в шлифовъчните дискове. В началото се е използвал предимно силициев карбид, синтетичен минерал, който впоследствие е изместен от една още по-добра алтернатива – синтетичен корунд или алуминиев оксид. При създаването на този производен на боксита материал се разработва абразивен материал, по-надежден от естествените минерали и силициевия карбид.

В следващия етап на развитие изследванията на синтетичните минерали довеждат до производството на така наречените суперабразиви. На първо място в тази категория са синтетичните диаманти и минералът, известен като кубичен борен нитрид (CBN), втори по твърдост след синтетичния диамант. Въпреки че първите шлифовъчни материали представляват естествени минерали, съвременните продукти се произвеждат почти изключително от синтетични.

Начинът на свързване на абразивните зърна е също толкова важен, колкото и самите зърна. Свързващият агент служи, за да осигури здрава интегрираща среда за абразивните зърна и да позволи свободно пространство между тях. Успехът на шлифовъчните колела започва в началото на 1840-те години, когато са въведени връзки, съдържащи каучук или глина, а през 1870-те години е патентована връзка с втвърдена стъклообразна структура. Оттогава насам технологиите за свързване на материалите, използвани в шлифовъчните колела, непрекъснато се усъвършенстват.

Повечето шлифовъчни колела се произвеждат по метода на студено пресоване, при който сместа от компоненти се пресова в матрица при стайна температура. Детайлите на процеса варират значително в зависимост от вида на колелото и практиките на отделните компании.

Встъкляването се използва като връзка за колела със средни до фини размери на зърната, използвани в прецизната обработка. Основното при встъклената връзка е присъствието на силикатен материал с ниска точка на топене, като боросиликатно или оловно стъкло. Колелото се пресова в матрица при високо налягане, след което се изпича при много висока температура, което превръща свързващите материали в стъкло, придавайки здравина и твърдост на колелото. Другият широко разпространен тип връзка е на основа на синтетична смола. Той се използва обикновено за колела с едрозърнест абразив и за операции по грубо отстраняване на материал, като например в леярски работи.

По отношение на износването съществуват два типа свързване на основата и абразива в един шлифовъчен диск – връзки, които позволяват на абразивните зърна лесно да се чупят, и връзки, които възпрепятстват счупването на зърната и придават на колелото висока издръжливост на големи натоварвания. При първия тип връзки заляга принципът, че, ако шлифовъчният материал е избран правилно, в процеса на работа той ще запази своята абразивност, тъй като при шлифоването абразивните зърна ще продължат да се счупват в чисти, остри геометрични линии и остротата на ръбовете ще се поддържа през целия процес на шлифоване. Това придава на един висококачествен шлифовъчен диск изключително ценната характеристика на инструмент, който се самозаточва в процеса на използване. Като цяло обаче, при този тип колела качеството на повърхностната обработка е по-ниско и те имат кратък полезен живот. От друга страна, колелата от втория тип издържат по-дълго и постигат по-фина повърхностна обработка, но са по-ниско производителни и генерират повече топлина по време на шлифоване.

 

Видове дискове и колела

Карбофлексните дискове имат дълъг експлоатационен живот и служат за обработка на стомана. Използват се с ъглошлайф, моторни и стационарни машини за рязане и полиране на метал, неръждаема стомана и др.

Ламелните дискове за шлайфане се използват за грубо и фино шлифоване на метал, почистване на отливки, обработка на заваръчни шевове, оформяне на ръбове и канали. Ламелните шлифовъчни колела се употребяват при заготовки, чиито контури се обработват трудно и сложно. Шлайф колелата са изработени от плътни пакети от шлайф ленти – ламели. Това им придава гъвкавост и възможност за приспособяване. Шлайф колелата могат по желание да бъдат импрегнирани, за да се постигне втвърдяване, удължаване на живота им и по-малка запрашеност при работа. С абразибни шлифовъчни дискове се извършват както стандартни, така и специализирани операции, с керамична и органична връзка.

Шлифовъчните технологии са сфера, предмет на непрекъсната развойна дейност, която дава много добри резултати. Наскоро бе разработена нова формула за керамични алуминиеви абразивни зърна с иновативна форма и състав, която увеличава ефективността на шлифоване чрез контролиране на разграждането на зърната на микрометрично ниво, за да осигури перфектна комбинация от острота и издръжливост при прилагане на малка, средна и голяма сила.

Дисковете от вулканизирани влакна (популярни като фибродискове) са кръгли шлифовъчни колела с основа, изработена от вулканизирани влакна, която е покрита от едната страна със смола и абразивен зърнест слой. Фибордисковете се монтират на подходящи подложки и се използват с ъглошлайфи, предимно за обработка на метал. Изискванията за безопасност, приложими към дисковете с вулканизирани влакна и техните подложки са определени в стандарта EN 13743. Максималната скорост на повърхността (максимална работна скорост) за фибродискове е 80 m/s.

Тъй като абразивният слой може да е представен от широка гама от различни видове зърна в комбинация с различни версии на подложката, фибродисковете имат широк обхват на приложения, вариращи от груба обработка до финално шлифоване на повърхности. Предимствата на дисковете с влакна пред абразивните ламелни дискове и другите шлифовъчни дискове са еластичността на основата, която води до отлична адаптивност, фин и равномерен образец на шлифоване и, на първо място, тяхната по-достъпна цена.

Недостатъците им за разлика от абразивните ламелни дискове се крият в по-краткия им експлоатационен живот и относително високата им чувствителност към влага и температура. Поради това специалистите препоръчват при използването на фибродискове те да се съхраняват при средно ниво на относителна влажност 45 – 65%. Ако е твърде висока или твърде ниска влажността, това ще доведе до изкривяване на дисковете. Освен това трябва да се избягва прегряването им. Риск от прегряване съществува например при прекомерен натиск при шлифоване на едно място. То може да причини изгаряния и образуване на мехури по подложката, което в крайна сметка да доведе до загуба на зърнестия абразив.

В сравнение с обикновените шлифовъчни колела, диамантените инструменти се характеризират с по-висока точност на обработка, по-голяма издръжливост на колелото и увеличена производителност. Диамантените зърна се използват като абразив при заточване на режещи инструменти и обработка на свръхтвърди сплави и др.

Кубичният борен нитрид, наричан още боразон, елбор, кубонит, (CBN) е изкуствен суперабразив, чиито шлифовъчни качества превъзхождат тези на диаманта, когато се използва за операции по шлифоване на стомани. По своите физико-механични свойства той се приближава до тези на синтетичния диамант. Но за разлика от диаманта, той е химически инертен към желязото и не се свързва с него. Освен това кубичният борен нитрид е много устойчив на нагряване, издържа до 2000°C, докато температурният праг на диамантените дискове е 800 – 900°C. CBN се отличава с изключителна твърдост, здравина, устойчивост на абразия, превъзходна термична и химическа устойчивост.

Обработката на някои материали като шлифоване на закалени стомани и заточване на режещи компоненти от инструментална стомана поставя специфични изисквания към шлифовъчния материал. Използването на обикновени абразиви води до възникване на значителни сили на рязане и повишаване на температурата в зоната на обработка. Обработваният материал може дори да достигне температурата си на топене. Неподходящият избор на абразив, от една страна, съкращава живота на шлифовъчния диск и увеличава разхода на абразивен материал, а от друга, води до ниско качество на обработваната повърхност и намалява производителността, а износоустойчивостта на инструменталната стомана се понижава. Нещо повече, такъв компромис с шлифовъчните инструменти вреди и на здравето на персонала, тъй като запрашеността на средата се повишава. В тези случаи използването на висококачествени синтетични свръхабразиви като CBN е напълно основано. В наши дни изследователската дейност в търсене на технологични абразиви с още по-добри качества продължава трескаво да кипи.

Top