Разработка основ технологии изготовления абразивного инструмента для силового и высокоскоростного силового шлифования со скоростью 60—80м/с

Применение новых мощных станков и переход к скоростному высокоэффективному шлифованию потребовали создания принципиально нового инструмента, обладающего высокими прочностными свойствами черепка, гарантирующими безопасную эксплуатацию инструмента при скорости 60−80 м/с и силе резания 500—1000 кге, повышенными теплофизическими свойствами, обеспечивающими его работу¹ при интенсивных тепловых нагрузках без охлаждения, и высокими эксплуатационными показателями.

При обдирочном шлифовании блюмсов и слябов, при удалении различных дефектов с поверхности стального литья и металлопроката в зоне шлифования развиваются температуры, близкие к температуре плавления шлифуемого металла.

Шлифовальное зерно традиционных абразивных материалов — электрокорунда нормального, титанистого и др. — не обеспечивает высоких показателей по их прочности и термостойкости, поэтому для изготовления обдирочных скоростных кругов был разработан высокопрочный и термостойкий циркониевый электрокорунд (ЭЦ) [342], представляющий собой сплав оксида алюминия и диоксида циркония, близкий по составу к эвтектическому.

Структура ЭЦ представлена кристаллами корунда размерами 5−30 мкм и диоксида циркония 1 — 15 мкм.

В табл. 6.10 представлен химический и фазовый состав циркониевого электрокорунда различных марок.

Особенностью абразивных изделий для скоростного обдирочного шлифования является их высокая плотность (3,0—3,2 г/см³), практически полное отсутствие пор, высокое содержание связующего (30% по объему). Указанные обстоятельства обусловливают необходимость создания такого режима термообработки, который обеспечивал бы наиболее полное удаление летучих из органических составляющих без деформации изделий, а также получение максимальной прочности и высоких эксплуатационных свойств инструментов.

Установлено, что скоростной обдирочный инструмент, обладающий вышеперечисленными свойствами, может быть изготовлен методом горячего прессования при высоких удельных давлениях [343].

Технологический процесс изготовления скоростного обдирочного инструмента методом горячего прессования отличается от существующих процессов Таблица 6. 10.

Химический и фазовый состав циркониевого электрокорунда различных марок

Примечания: 1. Показатель массовой доли 1т0₂ тетрагонального факультативный. 2. Допускается поставка по согласованию с потребителем шлифматериалов марок 38А6−0, 38А6, 28А5, 38А4 и 38АЗ с содержанием ТЮ₂ не более 1%.

как рецептурой, приемами изготовления абразивных масс, так и методами их формования. Рецептура абразивных масс (кроме новых марок абразивного зерна и связок) отличается высоким содержанием зерна, использованием сложных зерновых композиций, высоким содержанием связок, низким содержанием увлажнителя, а также введением в массы специальных наполнителей и добавок, приводящих к увеличению прочностных, теплотехнических и эксплуатационных свойств изделий.

В работе [344] установлено, что связующее для производства абразивного инструмента методом горячего прессования должно удовлетворять следующим требованиям: обладать минимальной свободной текучестью расплава, необходимой для заполнения свободных объемов; максимальным временем желатинизации при минимальном времени отверждения; иметь максимальную теплостойкость (жесткость) в горячем состоянии; выделять минимальное количество летучих продуктов отверждения.

Повышение температуры каплепадения смолы со 100−120 до 136—145 °С значительно улучшает физико-механические свойства наполненных образцов (табл. 6.11).

Авторами [345, 346] была разработана высокомолекулярная (950−1200 °С) фенолформальдегидная смола СФ-0119 регулируемой структуры с малым содержанием свободного фенола (2%) и высокой температурой каплепадения. Высокая молекулярная масса смолы обеспечила ее повышенную прочность в отвержденном состоянии, а высокая температура каплепадения обусловила практически полное отсутствие подвижности расплава в свободном состоянии, низкое содержание мономера (фенола) привело к снижению выделения летучих.

На основе смолы СФ-0119, модифицированной гексаметилентетрамином и поливинилбутиралем (ПВБ), Кемеровским НИИ химической промышленности были разработаны две новые марки связующих для производства абразивного инструмента методом горячего прессования — СФП-0119А и СФП- 0119А1. Свойства этих смол приведены в табл. 6.12. Выбор ПВБ в составе смолы обусловлен его высокой клеящей способностью, обеспечивающей повышение адгезии связки к зерну.

Таблица 6. 1 1.

Физико-механические свойства композиций на основе фенолформальдегидной смолы с различной температурой каплепадения

Таблица 6. 1 2.

Свойства связующих СФП-0119А и СФП-0199А1

Процессы, происходящие при термообработке новых фенолформальдегидных смол, изучались в ряде работ [347, 348). Данные термографического анализа (рис. 6.6) позволили определить динамику выделения летучих. Установлено, что выделение газообразных продуктов при отверждении этого связующего имеет максимум в трех областях температур:

• 1) интервал температур до 120 °C с максимумом скорости выделения летучих в области 80−90 °С. Общее содержание летучих составляет около 1% от массы связующего при наличии в их составе: газов и влаги, адсорбированных связующим;
• 2) интервал температур 120—150 °С с максимумом в интервале 130—135 °С. Общее содержание летучих в этом случае составляет 3% от массы связующего, а летучие представляют собой продукты реакции распада уротропина и отверждения смолы (аммиак, конденсационная вода, свободный фенол и димеры — изомеры диоксидифснилметана);

Рис. 6.6. Дифференциальная кривая ТГА (/) и кривая зависимости потерь массы образцов связующего СФП-0119А от температуры (2) при термогравиметрическом анализе.

3) интервал температур выше 150 °C. Протекание реакции отверждения сопровождается выделением аммиака и свободного фенола в примерно равных количествах, а также димеров. Общие потери составляют около 3% от массы связующего.

Найденные закономерности процесса отверждения связующего позволили установить оптимальные режимы термообработки абразивных изделий.

При изготовлении абразивных изделий с использованием в качестве связующего СФП-0119А, а в качестве увлажнителя — жидкой резольной смолы БЖ-6 (по ТУ 6−05−1715—75) был предложен и исследован метод термообработки с учетом описанных выше закономерностей отверждения смолы. Определено также влияние условий проведения отдельных стадий термообработки на прочность готовых изделий. В этом случае целесообразно производить термообработку в три стадии: 1) подсушка предварительно отпрессованных холодным способом заготовок; 2) горячее прессование изделий (до нулевой пористости); 3) дополнительная бакелизация. Подсушка предварительно отпрессованных заготовок, имеющих поры объемом около 25% от объема заготовки, производится в целях удаления влаги и летучих, содержащихся в связующем и увлажнителе. В табл. 6.13 представлены свойства инструмента в зависимости от режима термообработки, явно показавшие резкое увеличение прочности изделий при наличии стадии подсушки (опыт 2) по сравнению с изделиями, полученными при прямом горячем прессовании без предварительной подсушки массы (опыт 1).

Как следует из данных табл. 6.13, наличие стадии подсушки (опыт 2) приводит к резкому увеличению прочности изделий по сравнению с их прочностью при прямом горячем прессовании (опыт 1); оптимальные результаты получаются при подсушке изделий в течение 5 ч при температуре 70 °C (опыт 3). Авторами показано также, что увеличение температуры подсушки выше 70 °C недопустимо в связи с началом оплавления связующего при температуре около 80 °C, что замедляет выделение летучих и приводит к неполному их удалению.

Цель второго этапа термообработки — горячего прессования — получение изделий с заданной плотностью и достижение отверждения связующего. Режим горячего прессования должен обеспечивать изготовление изделий без их деформации, обычно обусловленной резким выделением летучих в момент Таблица 6. 1 3.

Зависимость свойств инструмента от режима термообработки

снятия давления. Оптимальным режимом является горячее прессование высушенных изделий при температуре 130 °C с выдержкой, равной 1 мин на 1 мм высоты изделия. При этой температуре происходит наиболее интенсивное оплавление связки под давлением, а также максимальное выделение летучих продуктов реакции (см. табл. 6.13, опыт 3).

Третий этап термообработки — дополнительная бакелизация — имеет целью углубление процесса сшивки молекул связующего, что вызывает увеличение твердости изделий, снятие напряжений и увеличение стабильности свойств. Этот этап протекает без увеличения прочности изделий, однако при эксплуатации крупногабаритных кругов установлено, что круги, прошедшие окончательную стадию термообработки — дополнительную бакелизацию, обладают большей стойкостью и производительностью (см. табл. 6.13, опыты 4 и 5).

Абразивный инструмент, изготовленный, но двух-, трехстадийной технологии, используют при обдирочном шлифовании заготовок и отливок со скоростью 60—70 м/с и усилии резания 5 кН, обеспечивая коэффициент шлифования 18−20.

Наиболее производительным способом изготовления силового обдирочного инструмента является метод одностадийного горячего прессования, при котором формовочная смесь помешается в охлажденную пресс-форму и формуется до заданного размера при температуре 150−180 °С и давлении 45−50 МПа. Формовочные смеси для одностадийного формования характеризуются высоким содержанием порошкообразных компонентов при минимальном содержании увлажнителя. Для таких смесей целесообразно использовать связующее с более продолжительным временем желатинизации и с высокой подвижностью расплава, чем для связующего СФП-0199А. Таким связующим является СФП-0119А, которое используется в сочетании с фурфуролом (объемная доля 1%), но в отсутствии поливинилбутираля. Это увеличивает подвижность расплава, что позволяет увеличить объем зерна в круге до 62—64% и при необходимости вводить дополнительные волокнистые и порошкообразные наполнители. При этом получают изделия, имеющие прочностные характеристики на 20—30% выше, чем прочностные характеристики кругов, изготовленных двухстадийным методом, что обеспечивает рабочую скорость шлифкругов 80 м/с, усилие резания до 10 кН и коэффициент шлифования 30−45.