Технология изготовления абразивных инструментов на керамической связке

Технологический процесс производства абразивного инструмента на керамической связке состоит из последовательно выполняемых технологических операций: приготовления формовочной смеси, формования, термической обработки, механической обработки, контроля качества, маркировки и упаковки.

Схема технологического процесса производства абразивного инструмента представлена на рис. 3.1.

З.1 Абразивные формовочные смеси

Абразивные формовочные смеси — это смеси, состоящие из абразивного зерна, связки и клеящего вещества (увлажнителя), подготовленные для формования из них абразивных изделий. Разделяют формовочные смеси на полусухие.

Рис. 3.1. Технологическая схема производства абразивного инструмента.

(применяемые для формования изделий методом полусухого прессования), и жидкие (используемые для изготовления изделий методом шликерного литья).

В данном случае коснемся характеристики формовочных смесей, из которых изделия прессуются.

В зависимости от характеристики изготавливаемого изделия (зернистость, твердость, структура) изменяются соотношения в нем зерна, связки и увлажнителя. Объемное содержание зерна в абразивном инструменте определяет его структуру: чем меньше содержится зерна, тем выше номер структуры инструмента. Увеличение содержания связки для данной структуры вызывает повышение твердости готового изделия. С увеличением количества связки или твердости при постоянной структуре пористость абразивного инструмента уменьшается.

Уменьшение пористости с увеличением твердости на одну степень несколько выше у мелкозернистых формовочных смесей, чем у крупнозернистых, так как для получения одинаковых твердостей мелкозернистые изделия требуют введения в формовочные смеси больше связки, поскольку увеличивается количество зерен в единице объема и, соответственно, поверхность, которую надо связать связкой.

На составы формовочных смесей влияет вид связки. Смеси, изготовленные на связках с применением качественных глин, более пластичные, чем смеси, изготовленные на связках с использованием каолинов. С увеличением количества фритт в связке пластичность формовочных смесей падает. Составы формовочных смесей, приготовленные на легкоплавких связках (стеклах), имеют самую низкую пластичность.

Рис. 3.2. Изменение количеств различных увлажнителей, вводимых в формовочные смеси в зависимости от изменения зернистости последних:

/ — 25А 25 СМ² 7 К5 увлажнитель жидкий силикат плотности 1,46−1,48; 2— 25 А 25 СМ2 7 К5 увлажнитель жидкий силикат плотностью 1,45; 3— 64С 25 СМ² 7 К10 увлажнитель 40%-ный раствор декстрина; 4— 64С 25 СМ² 7 К10 увлажнитель 20%-ный раствор декстрина Введение клеящего увлажнителя обусловливается необходимостью придать формовочной смеси соответствующую формуемость, а заформованным изделиям возможно более высокую механическую прочность. Оптимальным количеством клеящего вещества, вводимого в формовочную смесь, считается такое его количество, при котором свежезаформованные изделия обладают максимальной механической прочностью. При этом оно зависит также от вида увлажнителя (жидкое стекло, декстрин, парафиновые эмульсии и др.), от концентрации и собственных свойств, от вида и пластичности связки, от ее содержания в формовочной смеси, от марки абразивного материала.

Оптимальное количество увлажнителя на 100 вес. ч. зерна различно для разных абразивных материалов и растет с уменьшением величины зерна (с увеличением номера зернистости) (рис. 3.2).

Абразивные формовочные смеси приготавливаются по рецептурам.

Рецептура формовочной смеси и методы ее расчета Рецептура представляет собой систему рецептов формовочных смесей из всех шлифовальных материалов, применяемых для изготовления абразивного инструмента, различной их зернистости, заданной твердости, структуры и различных керамических связок. При производстве абразивного инструмента на керамической связке насчитывается около 1500 рецептур.

В связи с тем что твердость инструмента определяется тремя методами: с применением пескоструйного прибора (ГОСТ 18 118−79), методом вдавливания шарика (ГОСТ 19 202—73) и неразрушающим методом (ГОСТ 25 961— 83), необходимо разрабатывать рецептуру для каждого метода отдельно.

Для разработки рецептуры вначале определяется оптимальное количество увлажнителя для каждой смеси и далее вычисляется расход увлажнителя на 1 вес. ч. связки и на 1 или 100 вес. ч. зерна.

Пример № 1: расчет количества увлажнителя в формовочной смеси. Допустим, определение оптимального количества увлажнителя проводится для смесей, состоящих из электрокорунда белого марки 25А зернистостью 40, на связке К20, увлажняемой жидким стеклом плотностью 1,48−1,50 г/см³.

Формовочные смеси готовятся с 5; 6,5; 8 вес. ч. связки. Максимальная механическая прочность из этих смесей получена: с 5 вес. ч. связки при содержании увлажнителя 3,0 вес. ч.; с 6,5 вес. ч. связки — 3,4 вес. ч.; с 8 вес. ч. — 3,8 вес. ч. соответственно. Таким образом, при увеличении количества связки на 1,5 вес. ч. количество увлажнителя увеличивается на 0,4 вес. ч., следовательно, на одну весовую часть связки требуется клеящего увлажнителя 0,4/1,5 = = 0,27 вес. ч. Исходя из этого на 5 вес. ч. связки расходуется 1,35 вес. ч. увлажнителя, а остальное количество увлажнителя (3,00 — 1,35 = 1,65 вес. ч.) — на 100 вес. ч. зерна.

Экспериментальными работами специалистов ВНИИАШа (С.Г. Воронов, Н. Д. Корчагина, А. А. Куров и др.) установлено оптимальное количество увлажнителя на 1 вес. ч. связки для различных связок, находящееся в пределах: при применении жидкого стекла — 0,27—0,45 вес. ч.; при использовании раствора декстрина (20−50%-ной концентрации) — 0,2−0,4 вес. ч.

При использовании других увлажнителей оптимальное его количество устанавливается так же экспериментально.

Метод расчета состава формовочных смесей, предложенный В. Н. Любомудровым, основан на классическом плане эксперимента Зайделя—Гаусса и требует большого количества экспериментов, связанных с изготовлением л, п₂ л₃ рецептов, где л, — число градаций по степени твердости; л₂ — по количеству зернистостей, для которых составляется система рецептов; л₃ — по количеству структур.

Пример 2. Необходимо рассчитать рецепт для изготовления абразивного круга из электрокорунда белого марки 24А зернистостью 40, структуры 5, твердостью С1 на керамической связке К20; потери при прокаливании связки.

5,6%; увлажнитель — жидкое стекло с плотностью 1,48−1,50.

Из табл. 1.10 (см. гл. 1, ч. II) видно, что для структуры 5 необходимо 52% зерна и 9% связки по объему. Переводим соотношение объемных процентов в массовые и получаем:

необходимое количество зерна:

• 52−3,96 г/см³ = 202,6 вес. ч.; необходимое количество связки:
• 9−2,5 г/см³ = 22,5 вес. ч.,

где 3,96 и 2,5 — удельные веса электрокорунда и связки соответственно, г/см³.

С учетом потери при прокаливании связки 5,6% количество сырой связки в формовочной смеси будет таким:

22,5- 94,4; х- 100.

Если на увлажнение 100 вес. ч. зерна требуется 1,65 вес. ч. жидкого стекла, а на 100 вес. ч. связки — 27 вес. ч., то на формовочную смесь необходимо ввести увлажнителя.

где 202,6 — зерно, вес. ч.; 23,0 — связка, вес. ч.

Таким образом, формовочная смесь будет состоять: из электрокорунда белого марки 25А40 — 202,8 вес. ч.; из керамической связки К20 — 23,0 вес. ч.; из жидкого стекла — 10,4 вес. ч.

Итого — 237 вес. ч.

На 100 см³ объема изделий данной структуры (5) приходится 237 вес. ч. массы, т. е. объемный вес сырого необожженного изделия будет равен 2,37 г/см³. Умножая объем круга на 2,37 г/см³, получаем вес необожженного круга.

С.Г. Вороновым в 1963 году был применен новый метод нормирования рецептуры для изготовления кругов различных характеристик, основанных на сохранении постоянства соотношения количества шлифзерна и связки. Относительное постоянство соотношения количества шлифзерна и связки по мере повышения твердости обеспечивается за счет одновременного уплотнения структуры. Пример системы рецептов приведен в табл. 3.1. Эта система практически действует до настоящего времени.

Пример № 3: расчет объемного веса массы абразивной смеси по рецепту. Допустим, что необходимо рассчитать объемную массу формовочной смеси твердости М3 структуры 6. В этом случае расчет производится по формуле.

где 50— объемное содержание зерна при структуре 6 (см. табл. 1.1); 3,96 — удельный вес электрокорунда, г/см³; 100— шлифзерно, вес. ч.; 7,2— связка, вес. ч.; 3,6 —жидкое стекло, вес. ч.; 2,2 — декстрин, вес. ч.

Система рецептов для изготовления шлифовальных абразивных кругов из электрокорунда белого зернистостью 40 на связке К5.

Пр им ер № 4: разработка рецептуры с использованием пескоструйного метода контроля по ГОСТ 18 118–79. Рассмотрим пример разработки формовочной смеси для получения твердости М 2-С М2 структуры 6 для 24А40 на связке К5. Для разработки рецептуры изготавливаются образцы диаметром 100 мм. Образцы обжигаются при температуре 1250 °C. На обожженных образцах определяется глубина лунки и строится график твердость — глубина лунки от количества связки (рис. 3.3). По полученной зависимости определяется количество связки, соответствующее среднему значению твердости: для М1 — 4,3; для М2 — 5,7; для М3 — 7,0; для СМ1 — 8,2; для СМ2 — 9,3, затем определяется.

Рис. 3.3. Зависимость твердости от количества связки количество увлажнителя и клеящей добавки и рассчитывается объемный вес массы по указанным выше примерам.

Разработка рецептуры с использованием акустического метода контроля При проверке абразивного инструмента по ГОСТ 25 961–83 определяется приведенная скорость распространения акустических волн С_Л по значению которой рассчитывается звуковой индекс (ЗИ) инструмента. Область значений Cj от 3500 до 6300 относится к инструменту на керамической связке.

При разработке рецептуры изготовляются опытные образцы кругов, например, 250×32×76 мм для проверки на приборе «Звук 203» с различным количеством связки в формовочной смеси (шаг по связке 1, или 1,5, или 2 вес. ч.). Следует иметь в виду, что при использовании акустического метода контроля определяется интегральная характеристика изделия, поэтому в качестве образцов необходимо производить выбор типоразмеров кругов, у которых при соблюдении технологического процесса обеспечивается неравномерность твердости по крайней мере не более ±0,5 степени.

На образцах кругов определяется параметр С, и строится график зависимости С, от количества связки (рис. 3.4) 1151, 152].

По полученной зависимости определяется количество связки, соответствующее среднему значению С_у для каждого звукового индекса (для ЗИ43 — 4,2; для ЗИ45 — 5,6; для ЗИ47 — 7,0; для ЗИ49 — 8,2; для ЗИ51 — 9,8; для ЗИ53 — 11,3), а затем определяется количество увлажнителя и рассчитывается объемный вес массы по указанным выше примерам. Пример рецептуры представлен в табл. 3.2.

Рис. 3.4. Зависимость параметра С, (ЗИ) от количества связки Пример рецептуры для изготовления шлифовальных кругов, определяемых с использованием акустического метода контроля по ГОСТ 25 961–83.

Факторное планирование эксперимента при расчете формовочных смесей Преимущества факторного эксперимента перед классическим методом и методика его применения подробно освещены в литературе [153—155]. Рассмотрим этот метод применительно к данному случаю, когда необходимо рассчитать рецептуру формовочных смесей.

При получении зависимостей для расчета состава формовочных смесей [156] было принято следующее допущение: связка равномерным слоем покрывает всю поверхность зерен независимо от зернистости материала и структуры черепка, но в зависимости от твердости черепка она заполняет ту или иную часть пор в местах соприкосновения зерен друг с другом. Следовательно, необходимое количество связки зависит от величины поверхности абразивного материала в единице объема черепка и заданной твердости изделия. Было принято также, что количество связки зависит от величины поверхности абразивного материала в единице объема черепка и количества связки в нем, т. е. от твердости образца.

Обозначим поверхность абразивного материала в единице объема черепка Zy_t а твердость инструмента — z₂• За базовые условия принимаются средние из наиболее вероятных значений таких параметров, как структура черепка, номер зернистости материала, твердость инструмента. Значения Z и z₂ варьируются в определенных пределах (1,2±Дг) в соответствии с планом двухфакторного эксперимента.

Проще варьировать количество поверхности абразивного материала, если структура черепка остается постоянной, а изменяется лишь номер зернистости материала. Для проверки справедливости предпосылок и полученных уравнений возможен и другой вариант: варьировать структуру черепка, оставив зернистость материала без изменения.

В табл. 3.3 показан пример планирования эксперимента, занесения и обработки данных при определении уравнений связи между заданными параметрами и регулируемыми факторами.

В соответствии с матрицей (см. табл. 3.3) нужно получить четыре разновидности черепка, отличающиеся друг от друга поверхностью абразивного материала и твердостью образца. Чтобы заформовать и получить образцы заданной твердости и структуры, необходимо экспериментально для каждого из Таблица 3. 3.

Пример планирования эксперимента.

них с применением факторного эксперимента подобрать количество связки С и клеящего вещества К.

Найденные для каждого образца значения факторов С и К используются для получения уравнений регрессии:

Предположим, что на связке найденного состава требуется изготовить образец из материала заданной зернистости, структуры и твердости. Для расчета количества связки и клеящего вещества в абразивно-керамической смеси определяется значение поверхности абразивного материала в единице объема черепка, затем отклонения (Д^, ₂) между базовыми значениями поверхности и твердости (^о, ₂) ^и их заданными значениями ₂), отношения этих откло;

нении —^ и —- с соответствующим знаком подставляются в уравнения.

(Дг, *z₂)

регрессии (3.1) и (3.2). Найденные значения количества связки и клеящего вещества используются при составлении рецептуры формовочной смеси.

Авторы [157] считают, что применение при расчете рецептуры метода крутого восхождения требует введения в качестве одного из факторов поверхности абразивного материала в единицу объема, что затруднительно. А этот фактор не удовлетворяет одному из требований, предъявляемых к факторам при активном эксперименте 11 531. Кроме того, отсутствуют надежные данные о его количественном выражении для всей гаммы абразивных материалов и зернистостей. В связи с этим авторы на конкретном примере с использованием абразивного материала С64С на связке К10 показали возможность расчета рецептур абразивно-керамических смесей, в основу которого положен эксперимент, проведенный по центральному композиционному плану (15 рецептов для пяти зернистостей, четырех структур и всей гаммы твердостей) с последующим расчетом уравнений квадратичной регрессии, глубины лунки по ГОСТ 18 118–79, применяемой в качестве показателя твердости Я по переменным: V— объемное содержание зерна, %; Р— количество весовых частей связки на 100 вес. ч. зерна; z — зернистость, кодируемая с помощью переменной х₃, принимающей следующие значения: при z = 50, 40, 25, 16, 12 соответственно х₃ = -1,681; -1;0;+1; +1,681.

Карта проведения эксперимента приведена в табл. 3.4. Расчеты производились на ЭЦВМ «Мир-1» в соответствии с алгоритмом (158), в котором величина, характеризующая твердость Я, определяется по формуле.

где А — порядковый номер степени твердости, закодированной так, что для инструмента твердостью Ml (—) /1 = 0, для инструмента твердостью М2 А = 1 и т. д.; d— глубина лунки, мм; </,(Л), d₂(A) (—) — предельные глубины лунки по ГОСТ 18 118–72 для данной степени твердости в соответствии с режимами испытания: 1) камера объемом 28 см³, давление 0,5 атм или 2) камера объемом 28 см³, давление 1,5 атм.

В результате проведения эксперимента получены следующие уравнения регрессии:

Адекватность этой модели проверена по критерию Фишера: зная зависимости Я (jc, х₂, х₃) и задав структуру (*,) и зернистость (х₃), можно однозначно определить х₂ — количество связки Л т. е. получить систему рецептов для абразивного материала.

В табл. 3.5 приведены результаты расчета количества связки, необходимой для получения абразивного инструмента определенной зернистости, твердости и структуры. Для сравнения приведены данные по количеству связки, применяющемуся в системе рецептов, разработанных экспериментально для одного из заводов.

Результаты проведенного исследования показали, что применение центрального композиционного плана с последующей математической обработкой результатов позволяет рассчитать количество связки, а также увлажнителя для составления рецептуры абразивных смесей. Данный метод расчета сокращает количество опытов в 10—12 раз по сравнению с классическим планом.

В работе [158] предложена методика составления рецептов абразивного инструмента с применением планов на трех уровнях: близких к Д — оптимальный, ВД, ₂ — для режущего слоя и В₃ — для корпуса круга (в случае изготовления двухслойных кругов).

Карта проведения композиционного эксперимента.

Примечай и е. Из всех взаимодействий значимо только взаимодействие количество связки — зернистость. Квадратичный эффект от количества связки незначим.

Результаты расчета количества связки на 100 вес. ч. зерна для получения абразивного инструмента различной структуры и твердости.

• [1] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [2] — точки лежат за пределами области эксперимента и области адекватности уравнения.
• [3] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [4] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [5] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [6] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [7] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [8] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [9] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [10] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [11] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [12] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [13] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [14] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [15] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [16] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [17] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [18] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [19] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [20] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [21] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [22] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [23] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [24] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [25] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [26] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [27] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [28] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [29] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [30] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [31] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [32] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [33] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [34] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [35] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [36] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [37] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [38] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [39] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [40] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [41] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [42] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [43] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [44] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [45] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [46] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [47] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [48] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [49] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [50] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [51] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [52] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [53] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [54] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [55] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [56] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [57] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [58] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [59] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [60] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [61] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [62] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.
• [63] — по рецептуре на одном из абразивных заводов.