Прочность абразивного инструмента

Под прочностью абразивного инструмента понимается сопротивляемость инструмента механическим нагрузкам.

Абразивный инструмент, воспринимающий в процессе работы различные по характеру и величине нагрузки, для безопасной работы у потребителей должен обладать достаточным запасом прочности. Сопротивляемость инструмента нагрузкам зависит от таких его характеристик, как марка абразивного материала и его зернистость, вид связки, твердость и структура круга, а также от соотношения радиуса отверстия круга к радиусу круга.

Например, прочность абразивного инструмента из карбида кремния значительно ниже прочности инструмента из электрокорундовых материалов. Уменьшение твердости инструмента и увеличение зернистости шлифовального материала приводят к снижению прочности инструмента. Кроме того, на прочность большое влияние оказывает качество технологии производства абразивных инструментов. Например, в шлифовальных кругах на керамической связке при резких температурных перепадах во время обжига, особенно в процессе охлаждения, возникает внутреннее напряжение, что также снижает их прочность.

Абразивный инструмент на разных связках по-разному сопротивляется механическим усилиям. Общим для всех видов абразивного инструмента является резкое различие в прочности на сжатие и растяжение. Предел прочности на сжатие превышает предел прочности на растяжение инструмента на керамической связке в шесть-восемь раз, на бакелитовой связке — в три-четыре раза, а на вулканитовой — несколько ниже.

Вторым общим признаком для инструмента на всех видах связки является увеличение временного сопротивления при всех видах деформации с повышением твердости и с уменьшением зернистости абразивного материала.

Инструменты на керамической связке практически являются хрупкими телами, т. е. до момента разрушения остаточных (пластических) деформаций в них не возникает. Пропорциональность между значением деформации и нагрузкой сохраняется все время.

Магнезиальная и силикатовая связки аналогичны керамической по хрупкости, но менее прочны, чем керамическая.

Бакелитовая связка на растяжение (и изгиб) прочнее керамической. Для инструмента на бакелитовой связке играет роль время выдерживания под нагрузкой, так как у него при каждой нагрузке деформация несколько увеличивается с течением времени.

Вулканитовая связка более прочна на изгиб и растяжение, чем бакелитовая и тем более керамическая, и имеет более значительные упругие деформации.

Для увеличения механической прочности абразивного инструмента используются упрочняющие элементы. Прежде всего, это металлические детали: кольца, впрессованные в обдирочные круги; металлические диски для упрочнения кругов на керамической связке для рабочих скоростей до 80 м/с; фланцы для лепестковых кругов. В отрезных, зачистных и обдирочных кругах на органических связках, работающих при рабочих скоростях 80 м/с и выше, в качестве упрочняющего элемента используются диски, вырезанные из стеклосетки с размером ячеек от 3 до 6 мм и толщиной нити от 0,4 до 2 мм. Наличие упрочняющей сетки указывается в маркировке кругов буквой «У». Известны случаи использования и углеволокон для упрочнения инструмента. Однако низкая адгезия к органическим связкам и высокая стоимость сдерживают на сегодняшний день их применение.

Шлифовальный круг при вращении испытывает нормальные и тангенциальные напряжения, значения этих напряжений выражаются известными формулами [8].

где у— объемный вес круга, г/см³; v— окружная скорость круга, см/с; g— ускорение силы тяжести, кгс/см²; р — коэффициент Пуассона, равный 0,2—0,3; а = H/D (Д — диаметр круга. Я — диаметр посадочного отверстия).

Из формул (1.1) и (1.2) видно, что тангенциальные напряжения растут интенсивнее, чем нормальные, увеличиваясь от периферии к центру круга, и достигают максимального значения у края отверстия.

Наибольшими напряжениями во вращающемся круге являются напряжения на растяжение на стенке отверстия круга. Это растяжение пропорционально массе единицы объема круга и квадрату его окружной скорости и зависит от соотношения радиусов круга и его отверстия R/г т. е. при увеличении диаметра отверстия напряжение увеличивается. В результате исследования сил, действующих на инструмент в процессе работы, было установлено, что основную опасность представляют центробежные силы. Именно они при вращении круга вызывают в нем напряжения, близкие по значению к временному сопротивлению материала круга и могут привести к разрыву круга. Силы резания, возникающие в процессе шлифования, создают напряжение на сжатие, которое ничтожно мало по сравнению с временным сопротивлением на сжатие инструмента, и поэтому практической опасности не представляют. В связи с вышеуказанным основным методом испытания кругов является вращение их со скоростью, превышающей рабочую.

Значение превышения испытательной скорости над рабочей, а также другие правила испытаний прочности кругов вращением и ряд дополнительных мероприятий по безопасности при работе со шлифовальными кругами изложены в ГОСТ 12.3.028—82 и ГОСТ 30 513–97 «Процессы обработки абразивным и эльборовым инструментом. Требования безопасности», а также в «Правилах безопасности для абразивов на связках и прецизионных суперабразивов». С 1 января 2008 года вводится ГОСТ Р52 588−2006 «Инструмент абразивный. Требования безопасности».

Механическая прочность шлифовальных кругов должна контролироваться в соответствии с режимами испытаний, представленными в табл. 1.13.

ГОСТом также установлена обязательная проверка механической прочности у потребителя, так как круги в процессе хранения, упаковки и транспортировки могут быть повреждены. Кроме того, нельзя работать кругами со скоростью (об/мин), превышающей указанную в маркировке на круге. Превышение скорости является одной из главных причин разрыва круга. Например, фрагмент разорвавшегося круга, работающего со скоростью 35 м/с, летит со скоростью 128 км/ч, а фрагмент круга, работающего со скоростью 125 м/с, летит со скоростью 448 км/ч [9], что представляет большую опасность для персонала.

Таблица 1. 1 3.

Режимы испытаний шлифовальных инструментов на механическую прочность.

Рис. 1.14. Станок модели СИП для испытания кругов на прочность

Для испытания на прочность абразивных кругов разработаны различные модели станков и автоматов с вертикальным и горизонтальным расположением шпинделя для кругов, работающих при скорости 25—60 м/с (модели СИП и АИП) (рис. 1.14) [10].

Кроме того, создан ряд станков для испытания кругов, предназначенных для силового и скоростного шлифования с рабочей скоростью 80−100 м/с и позволяющих развивать испытательную скорость до 165 м/с. Липецким станкозаводом изготовлен и испытан станок модели СИП-ЮООС для кругов диаметром 600−1000 мм, работающих со скоростью до 100 м/с, а Лубенским станкозаводом «Коммуна» изготовлен станок модели СИП-2000С для кругов диаметром 1200−2000 мм, работающих со скоростью до 120 м/с.

На всех станках измерение частоты вращения шпинделя производится специальным электронным устройством с цифровой индикацией, обеспечивающей измерение в пределах ±1%.

Основные характеристики станков для испытания шлифовальных кругов представлены в табл. 1.14.

Для восприятия ударных нагрузок от осколков разорвавшегося круга в станине станка устанавливается массивное стальное кольцо на резиновых прокладках.

При испытаниях круг зажимается на шпинделе станка, испытательная камера закрывается и шпиндель приводится во вращение от электродвигателя, обеспечивающего плавное изменение скорости вращения круга по заданной программе.

По окончании испытания вращение шпинделя прекращается, открывается камера и круг снимается. В случае разрыва куски круга ссыпаются вниз и убираются.

Технические характеристики станков для испытания шлифовальных кругов.

Перед установкой в испытательный станок абразивный круг должен быть тщательно осмотрен (к проверке на механическую прочность не допускаются круги с трещинами, сколами и т. д.).