Абразивная обработка – процесс формообразования материалов резанием множеством абразивных частиц (зерен). Это достаточно распространенный во всех сферах машиностроительного производства процесс. Так, на предприятиях автомобилестроения абразивными инструментами работают до 30% станков, в подшипниковой промышленности – до 80% станков. Ряд материалов (керамика, твердый сплав, изделия из природного камня) вообще не могут быть обработаны другими механическими методами.

Рабочие процессы абразивной обработки характеризуются видом применяемого инструмента или среды, материалом абразивных частиц и кинематикой рабочих движений. Основным принципом обработки является направленное абразивное (механическое) изнашивание материала заготовки в результате режущего или царапающего воздействия более твердыми частицами инструмента.

По назначению все процессы абразивной обработки принято делить на обдирочное, черновое, чистовое шлифование и отделочные методы.

· Обдирочное (силовое) шлифование применяют при обработке поверхностей, которые имеют значительные отклонения формы, большую глубину дефектного слоя. При этом производительность обработки может достигать до 5 кг/мин.

· Черновое шлифование выполняют под последующую чистовую обработку или при обработке поверхностей, к которым не предъявляются высокие требования по точности и шероховатости (точность обработки 8…10 квалитет и Ra = 2,5…6,3 мкм).

· Чистовое шлифование используют как окончательный метод обработки или под последующую отделочную обработку поверхностей (точность обработки 6…8 квалитет и шероховатость поверхности Ra = 0,16…1,25 мкм).

· Отделочно-абразивные методы  применяют с целью повышения точности обработки, снижения шероховатости поверхности, улучшения физико-механических свойств поверхностного слоя. К ним относятся: тонкое шлифование, хонингование, суперфиниширование, доводка, абразивная обработка гибкими лентами и лепестковыми кругами, полирование, виброабразивная, магнитно–абразивная, полирование уплотненным потоком абразива и др. При этом  обеспечивается  получение  точности  от 5…6-го  квалитетов  и шероховатости  поверхности  Ra = 0,04…0,16  мкм  (тонкое  шлифование)  до  3…5-го  квалитетов  и  шероховатости  поверхности  Ra = 0,04…0,16 мкм (притирка).

Абразивный инструмент представляет собой систему взаимосвязанных абразивных (дисперсных) частиц. По агрегатному состоянию дисперсионной среды можно выделить следующие классы абразивных инструментов.

· Твердодисперсные – с фиксированным расположением абразивных зерен в связке или на основе инструмента. Инструмент может быть монолитным, многослойным или однослойным (инструмент на гальванической связке, шлифовальные ленты и шкурки). Он может иметь жесткую (инструмент на гальванической связке) или гибкую основу (шлифовальные ленты и шкурки). В зависимости от материала связки инструмент бывает жестким (керамическая, бакелитовая, металлическая) или упругим (вулканитовая, полиуретановая). Возможно включение дополнительных дисперсных фаз: поры (абразивный инструмент), частицы твердой смазки, наполнитель (алмазно-абразивный инструмент).

· Жидкодисперсные (суспензии, золи) – абразивные частицы находятся в жидкости при доводке, притирке, полировании, вибро-абразивной, ультразвуковой, струйно-абразивной обработке.

· Газодисперсные (пыль) – абразивные частицы увлекаются газовой или воздушной средой при вибро-абразивной, струйно-абразивной обработке,

Жидкодисперсные и газодисперсные системы относятся к процессам обработки условно свободным абразивом и представляют собой абразивные среды. Возможна их комбинация, например, пескоструйная обработка.

Все абразивные материалы делятся на две группы: естественные (природные) и искусственные (синтетические).

Естественные материалы (кремень, наждак, корунд, гранат, алмаз и др.) не получили широкого применения в абразивных инструментах из-за нестабильности режущих свойств и высокой стоимости. Иногда для процессов полирования и доводки используются: пемза, полевой шпат, крокус, мел, тальк, каолин, венская известь.

Искусственные абразивные материалы делятся на две группы: обычной твердости (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора) и сверхтвердые – синтетический алмаз и сверхтвердые поликристаллические нитриды бора (СПНБ). СПНБ выпускаются под следующими торговыми марками: гексанит, кубонит – Украина; эльбор – Россия; белбор – Беларусь; борозон (borozon) – США; CBN – Япония, Китай и др.

Сырьем для производства искусственных абразивов служат руды и минералы, содержащие большое количество твердых кристаллов, таких как оксид алюминия (Al2O3) и кварц (SiO2). Сверхтвердые абразивные материалы получают в результате синтеза при сверхвысоком давлении и температуре из графита (синтетический алмаз) и гексагонального (вюрцитоподобного) нитрида бора с последующим дроблением шихты, очисткой и рассевом.

Электрокорунд представляет собой кристаллический оксид алюминия Аl2О3, являющийся очищенным продуктом плавки глинозема (бокситов). Различают несколько видов электрокорунда: нормальный, белый, хромистый, титанистый, монокорунд и сферокорунд.

Электрокорунд нормальный (марки: 16А, 15А, 14А, 13А, 12А) наиболее широко используется в промышленности. Применяется при черновом, получистовом и чистовом шлифовании сталей и чугунов, а также для заточки режущего инструмента из инструментальной стали.

Электрокорунд белый (марки: 25А, 24А, 23А, 22А) содержит меньше примесей, поэтому превосходит по своим режущим свойствам электрокорунд нормальный. Он применяется при шлифовании прочных и вязких сталей (незакаленных и закаленных), ковкого чугуна, заточки инструментов из быстрорежущей стали.

Электрокорунд хромистый (34А, 33А, 32А) получают при плавке в электропечах глинозема с добавлением хромистой руды. Зерна его имеют розовую окраску. В нем содержится не менее 97% А12O3 и до 2% CrО.

Электрокорунд титанистый (37А) содержит не менее 97% Аl2O3 и 2% TiO2.

Высокая вязкость зерен электрокорунда хромистого и титанистого создают предпосылки для их использования при напряженных режимах шлифования углеродистых и конструкционных сталей, а также для высокоточных работ и доводочных операций.

Монокорунд (45А, 44А, 43А) отличается высокой прочностью и режущими свойствами, содержит 97…98% А12O3. Применяется для обработки весьма прочных сталей, ковкого чугуна, быстрорежущей стали.

Сферокорунд – абразивный материал, получаемый из глинозема в виде полых корундовых сфер. В нем содержится более 99% Al2O3 и небольшое количество примесей. Он находит применение при шлифовании мягких, вязких и специфичных материалов – кожи, резины, древесины, пластмасс, цветных металлов. Иногда используется в качестве порообразователя.

Формокорунд содержит 80…87% А12О3 и Fe2O3 не более 1,5%. Производится в виде зерен цилиндрической (С) и призматической (Р) форм с размерами: диаметр или ширина квадратного сечения 1,2…2,8 мм, длина 3,8…8 мм. Преимущественно используется в основном для тяжелых обдирочных работ.

Карбид кремния (SiC) выпускается двух видов: черный – марок 52С, 53С, 54С, 55С (95…98% SiC) и зеленый – марок 62С, 63С, 64С (98…99% SiC).

Более качественным (и дорогим) является зеленый карбид кремния. Он применяется для заточки твердосплавного инструмента. Черный карбид кремния хрупок и используется для обработки материалов с низким пределом прочности (чугуна, бронзы), вязких металлов и сплавов (мягкой латуни, алюминия, меди), а также для обработки таких неметаллических материалов, как кожа, стекло, мрамор и т.д.

В настоящее время для упрощения используют обозначения карбида кремния зеленого и черного соответственно 6С и 5С, электрокорунда белого – 2А и т.д.

Карбид бора (В4С) – состоит из кристаллического карбида бора (84…93%) и небольшого количества примесей. По твердости и абразивной способности уступает только сверхтвердому нитриду бора и алмазу. Применяют в основном для приготовления паст и суспензий для доводки и полирования твердых материалов. Может использоваться для доводки твердосплавного инструмента, так как обеспечивает минимальный радиус кривизны режущей кромки лезвия – до 6...10 мкм (электрокорунд – до 15 мкм), а также при обработке весьма твердых материалов, например рубина, корунда, кварца и др.

Окись алюминия (Al2O3 – глинозем). Пасты на его основе используются для притирки и доводки стальных и чугунных деталей.

Окись железа (Fe2O3) – мелкий однородный полировальный порошок коричневого цвета (крокус). Применяется для полирования стекол, благородных и цветных металлов.

Окись хрома (Cr2O3) – твердый тонкокристаллический абразивный материал темно–зеленого или почти черного цвета. Является наиболее эффективным материалом, применяемым для изготовления полировальных паст.

Одной из важнейших характеристик абразивных материалов есть зернистость.

По зернистости абразивные материалы делятся на следующие группы: шлифзерно – 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16; шлифпорошки – 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3; микропорошки – М63, М50, М40, М28, М20, М14; тонкие микропорошки – М10, М7, М5. Это условное обозначение шлифовального материала, соответствующее размеру абразивных зерен (крупности) основной фракции. Основной фракцией называется совокупность зерен определенного размера, преобладающих в составе данного порошка по массе (в шлифзерне и шлифпорошках) или по числу зерен (в микропорошках).

Зернистость шлифзерна и шлифпорошков определяется размером стороны ячейки нижнего контрольного сита для основной фракции (в сотых долях миллиметра). Например, шлифзерно 200 при просеивании остается на сите с номинальными размерами ячеек сетки на просвет, равными 2000 мкм.

Номер зернистости микропорошков обозначается цифрой, равной наибольшему размеру (в мкм) зерен основной фракции с добавлением буквы М. Например, микропорошок с размерами основной фракции 14–10 мкм обозначается М14.

В общем случае алмазный порошок – это совокупность кристаллов и поликристаллов размером не более 3000 мкм.

Алмазные порошки принято разделять на четыре основные группы: шлифпорошки (с размером зерен 2500...60 мкм), микропорошки (60...1 мкм), субмикропорошки (1...0,1 мкм) и нанопорошки (10–3...10–4 мкм).

Обозначение марок алмазных шлифпорошков состоит из буквенных и цифровых индексов. Буквами АС обозначаются порошки из синтетических монокристаллических алмазов (буквой А – природный алмаз), АР – из синтетических алмазных поликристаллов. При этом к индексу АР добавляется буква, обозначающая тип исходного природного поликристаллического алмаза: В – баллас, К – карбонадо, и спеков – С. К буквенным обозначениям добавляется цифровой индекс, выражающий для порошков АС значение прочности на сжатие (не менее) в ньютонах, а в шлифпорошках АР – в сотых долях ньютона.

Шлифпорошки синтетических монокристаллических алмазов выпускаются в Украине 12 марок прочности (ДСТУ 3292-95), начиная с АС2 (4, 6, 15, 20, 32, 50, 65, 80, 100, 125) до АС160. Если порошок дополнительно рассортирован по какому–либо отличительному свойству, после цифрового индекса добавляется соответствующий индекс: Т – термопрочные (термостойкие); Н – немагнитные, неэлектропроводные; А – повышенной адсорбционной активности и др.

В ИСМ НАН Украины разработаны и производятся порошки повышенной прочности марок АС200, АС250, АС300, АС350, АС400 (ТУ 88.090.029-98). Данные порошки применяются: в инструментах на металлических связках; в правящих инструментах; в инструментах для резания, сверления природного камня, керамики, бетона и буровых работ (АС200, АС250, АС300); в инструментах для обработки природного камня, стройматериалов, горных пород повышенной твердости (АС350, АС400).

Микропорошки нормальной абразивной способности, которые обозначаются индексом АСМ (алмазный синтетический микропорошок) и порошки повышенной абразивной способности – индексом АСН, выпускаются зернистостью от 60/40 до 1/0 мкм.

Зернистость шлифпорошка из СТМ определяется и характеризуется размером зерен основной фракции и обозначается дробью, числитель которой соответствует размеру ячеек верхнего сита, а знаменатель – размеру ячеек нижнего сита, на которых остаются зерна рассеиваемой фракции, образуя массу порошка определенной зернистости, например, 400/315. Цифры соответствуют размерам ячеек сит в мкм.

Для обозначения субмикропорошков к буквенным индексам добавляется цифра 5 или 1, обозначающая содержание в порошке зерен крупной фракции (соответственно не более 5 или 1%). Субмикропорошки выпускаются 6 зернистостей: АСМ5 1/0,5 (0,7/0,3; 0,5/0,1) и АСМ1 0,5/0 (0,3/0; 0,1/0).

Для получения микро и субмикропорошков специального назначения применяют различные методы модифицирования их поверхности. В этом случае к основным индексам добавляются новые: О – овализованные, Д – диамагнитные, Ф100 – гидрофобизированные, Ф700 – гидрофилизированные и др.

Ультрадисперсные алмазы (УДА, наноалмазы) с размером частиц 1...100 нм синтезируются путем детонации заряда взрывчатого вещества в специальных камерах в среде с отрицательным кислородным балансом . В настоящее время уже известно, что добавки УДА в различные материалы способствуют формированию мелкозернистых структур с принципиально новыми свойствами.

Кубический нитрид бора (КНБ) является более термостойким материалом, чем алмаз и, как правило, применяется там, где не может использоваться алмаз, т.е. при больших нагрузках, высокой температуре и в физико-химической активной среде.

В Украине шлифпорошки КНБ (кубонита) с размерами зерен от 250 до 40 мкм производятся трех марок: обычной (КО), повышенной (КР) и высокой (КВ) прочности.

Основной характеристикой микропорошков из кубонита (КМ) является повышенная абразивная способность. Диапазон зернистостей такой же, как и алмазов, т.е. от 60/40 мкм до 1/0 мкм.

На практике абразивный инструмент подразделяют на три основных вида:

· инструмент на жесткой основе, в котором зерна 1 шлифовальных материалов (рис. 2.2) жестко закреплены между собой связкой 2 (керамической, органической, металлической и т.п.);

· инструмент, изготовленный на гибкой основе (фибра, бумага, ткань или их комбинация, нетканый материал) – шлифовальная шкурка и изделия из нее (бесконечные шлифовальные ленты, ленты, бобины, конусы, диски, лепестковые круги) и другой гибкий или эластичный абразивный инструмент;

· пасты твердой и жидкой консистенции, представляющие собой композицию из шлифовальных материалов и органических связующих, закрепляющих абразивные зерна так, что при работе они имеют значительную свободу перемещений в зоне обработки с включением в состав также смазывающих и поверхностно–активных веществ.

Наибольшее распространение получил инструмент на жесткой основе:

· шлифовальные круги – абразивные инструменты в виде тела вращения цилиндрической или специальной формы;

· шлифовальные головки – шлифовальные круги различных форм и размеров с глухими отверстиями для крепления на металлических хвостовиках–оправках;

· шлифовальные сегменты, являющиеся составной частью сборного или составного шлифовального круга;

· шлифовальные бруски призматической или цилиндрической формы, используемые для изготовления хонов или суперфинишных головок;

· шлифовальные шеверы – абразивные инструменты, имеющие форму зубчатого колеса, используемые для финишной обработки зубчатых колес;

· абразивные галтовочные тела, представляющие собой призмы, звездочки и другие произвольные геометрические формы, используемые для виброабразивной обработки в галтовочных барабанах.

По своим формам или профилю шлифовальные круги подразделяются на 13 типов: прямого (цилиндрического) или конического профилей, в виде колец, чашек, тарелок, со специальными выточками и т.д. Кроме того, правкой может быть обеспечен любой другой специальный профиль, необходимый для конкретной операции шлифования.

Помимо типа и размеров характеристика шлифовального круга включает в себя: материал и марку абразива, его зернистость, твердость и номер структуры круга, тип и марку связки. Особенностью алмазно-абразивного инструмента является наличие характеристики – концентрации алмазных зерен и отсутствие характеристик – твердость и номер структуры. В состав характеристики входят также рабочая скорость инструмента, его степень точности и класс неуравновешенности масс.

Твердость абразивных инструментов – это условное обозначение способности связки удерживать зерна в инструменте. Установлена следующая шкала степеней твердости абразивных инструментов: ЧМ1, ЧМ2 – чрезвычайно мягкий; ВМ1, ВМ2 – весьма мягкий; М1…МЗ – мягкий; СМ1, СМ2 – среднемягкий; С1, С2 – средний; СТ1…СТЗ – среднетвердый; Т1, Т2 – твердый; ВТ1, ВТ2 – весьма твердый; ЧТ1…ЧТ9 – чрезвычайно твердый. Здесь цифры 1, 2…9 характеризуют твердость в порядке ее возрастания. Для инструментов на вулканитовой связке применяют укрупненные степени твердости: СМ, С, СТ, Т.

В большинстве случаев шлифования применяют абразивные круги средней степени твердости, которые обеспечивают высокую производительность и достаточную стойкость. При бесцентровом, внутреннем и плоском шлифовании применяют более мягкие круги, а при профильном шлифовании, резьбошлифовании, шлифовании прерывистых поверхностей и заготовок малых диаметров используют более твердые круги. Шлифование с СОЖ выполняют более твердыми кругами.

Связка абразивных инструментов служит для скрепления зерен в объемную структуру заданной формы, обеспечивая их удержание до момента достижения критической степени изнашивания. Она оказывает большое влияние на работоспособность кругов. От количества, вида, качества и равномерности распределения связки в абразивном круге зависят твердость, прочность, структура, неуравновешенность круга и допускаемая скорость шлифования.

Для изготовления абразивных кругов применяют неорганические (керамические – К, силикатные – С, магнезиальные, металлические – М) и органические (бакелитовые – Б, вулканитовые – В, глифталевые – Гф, полимерные) связки. Из них наиболее распространены керамическая, бакелитовая и вулканитовая связки, а при производстве алмазного инструмента – бакелитовая и металлическая связки.

Номер структуры абразивного инструмента характеризует соотношение между объемами зерен 1 (Vз), связки 2 (Vс) и пор 3 (Vп): Vз+Vс+Vп=100% (см. рис. 2.2). Абразивный инструмент по структуре разделяют на 12 групп от 1 до 12.

С повышением номера структуры на единицу содержание абразивных зерен уменьшается на 2%. Структуры № 1…4 называются закрытыми или плотными, № 5…8 – средними, № 9…12 – открытыми. Общие рекомендации таковы: № 1…4 – профильное шлифование; № 5…8 – обычное шлифование; № 9…12 – скоростное шлифование, обработка мягких неметаллических материалов.

Концентрация зерен алмазных и кубонитовых кругов является условной характеристикой амазоносного слоя. За концентрацию 100% принимают 4,4 карата в 1 см3 (8,8 г/см3), что составляет 25% (по объему).

С увеличением концентрации повышается режущая способность и стойкость кругов, но и растет их стоимость. Для окончательного шлифования и доводки рекомендуются круги 100% и 150% концентраций, а для профильного шлифования и заточки твердосплавных инструментов 150...200% концентрации.