О материалах для промышленного шлифования различных металлов: виды абразивных инструментов и критерии выбора

Шлифование является финишным этапом обработки металла, позволяющим добиться высокой точности и определённой гладкости поверхности деталей. В промышленных масштабах операция выполняется на станках или обрабатывающих центрах. Качество шлифовки и степень шероховатости во многом зависит от выбора абразивного инструмента. Поэтому ниша шлифовальных материалов представлена на рынке развёрнутым ассортиментом (в зависимости от твёрдости металла, его склонности к нагреву, формы поверхности и масштабов производства). Предлагаем рассмотреть основные виды абразивных инструментов, особенности обработки разных типов металлов и факторы, влияющие на выбор подходящего абразива.

Виды абразивных инструментов для шлифовальных станков

Абразивные материалы делятся на несколько категорий, каждая из которых имеет свои ключевые характеристики. Выбирает тип абразива технолог или оператор обрабатывающего станка (центра), руководствуясь стадиями шлифовки и требованиями к качеству поверхности. Правильный подход к использованию подходящего инструмента позволяет:

• оптимизировать процесс обработки;
• снизить затраты на шлифовальную оснастку;
• увеличить общую производительность труда.

В свою очередь неправильный выбор абразива может привести к повреждению заготовки или увеличению времени обработки, а также излишнему износу станочной оснастки.

По форме

На рынке представлено многообразие абразивных инструментов, различающихся по геометрии. Непосредственно форма определяет их применение на различных станках (плоскошлифовальных, круглошлифовальных, ленточных и др.).

Таблица 1. Классификация абразивных инструментов по форме 

По назначению

Шлифовальные материалы делятся по назначению, поскольку различные виды работ требуют разных характеристик и свойств абразивов. Они обладают разной твёрдостью и структурой. Например, для обработки мягкого сплава подойдут мелкозернистые абразивы, а для твёрдой стали – крупнозернистые. Задача технологов подобрать абразивы таким образом, чтобы они эффективно взаимодействовали с конкретным материалом от стадии к стадии, минимизируя износ инструмента и обеспечивая качественный результат. Например, если говорить об абразивных кругах, то рынок предлагает 3 основных вида по назначению:

• зачистные,
• обдирочные,
• полировочные.

Зачистные

Эти круги используются для предварительной обработки поверхности, включая удаление окалин, ржавчины, краски, следов сварки и других загрязнений. Основная задача – подготовить поверхность к дальнейшему взаимодействию, будь то более тонкая полировка или покраска.

Особенности зачистных кругов:

• Средняя или крупная зернистость (например, F60-F90).
• Чаще всего изготавливаются из корунда или карбида кремния.
• Используются на низкооборотистых станках или ручном инструменте (например, угловых шлифмашинах).

Обдирочные

Применяются для снятия большого слоя материала, особенно при грубом шлифовании или выравнивании поверхности. С их помощью удаляют крупные дефекты, неровности и делают первичную обработку заготовок.

Особенности:

• Крупнозернистая структура (например, F24-F40).
• Могут применяться на мощных станках для снятия значительных слоёв металла.
• Изготавливаются преимущественно из электрокорунда (оксид алюминия) или карбида кремния.

Полировочные

Используются для финишной обработки деталей до гладкости и блеска. Это один из последних этапов механической обработки, который делает поверхность идеально ровной и готовой к нанесению покрытия. Ключевые особенности полировочных инструментов:

• Мелкозернистость (например, F150-F320 и выше).
• Часто изготавливаются из керамических или алмазных абразивов.

Применяются на станках с низкой скоростью вращения, чтобы избежать перегрева и повреждения заготовки.

По типу абразива

Если нужна определённая точность и конкретное качество поверхности, применяют абразивы определённой структуры. Разные материалы обладают различной твёрдостью и хрупкостью. Например, алмазы и карбид кремния твёрже, чем корунд, что позволяет им дольше сохранять острые грани и обеспечивать более агрессивную обработку.

Материалы с хорошей теплопроводностью, тот же алмаз, лучше отводят тепло, возникающее при трении, предотвращая тем самым перегрев заготовки. Некоторые абразивы довольно хрупкие, что делает их подходящими для шлифовки твёрдых материалов, где необходима самозатачиваемость.

Алмазные

Алмазные круги применяются для обработки твёрдых и хрупких материалов, таких как твёрдые сплавы, керамика и стекло. Они обеспечивают высокую точность и отличаются долговечностью, однако требуют тщательного подбора режимов работы, чтобы избежать перегрева и преждевременного износа.

Карбид кремния (SiC)

Широко используется для шлифовки мягких металлов, таких как алюминий, медь и латунь. Круги из карбида кремния обладают хорошей стойкостью к износу и способны эффективно удалять материал даже при высоких скоростях.

Корунд (оксид алюминия Al₂O₃)

Корундовая крошка является универсальным материалом для шлифовки стали и чугуна. Она обладает высокой твёрдостью и устойчивостью к тепловым нагрузкам, что делает её практичной для тяжёлых условий эксплуатации.

Цирконий (ZrO₂)

Цирконовые круги часто используются для высокоскоростной обработки жаропрочных сталей и сплавов. Они отличаются повышенной износостойкостью и термостойкостью, позволяя поддерживать стабильный процесс шлифования при повышенных температурах.

Электрокорунд (Al₂O₃ + добавки)

Электрокорундовые круги содержат различные легирующие элементы, среди которых: титан, хром и цирконий. Такой состав повышает прочность и стойкость материала к износу. Эти круги особенно эффективны при обработке закалённых сталей и тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена, ниобия.

По типу связки

Так называемая «связка» в абразивных материалах – это вещество или совокупность веществ, используемых для закрепления абразивных зёрен на инструменте. Она играет важную роль в определении рабочих характеристик, таких как его твёрдость, прочность, устойчивость к температурам и условиям эксплуатации. Связки бывают двух основных типов:

• неорганические,
• органические.

К неорганическим связкам относятся керамическая, силикатная и магнезиальная, а к органическим – бакелитовая и вулканитовая. Наиболее распространёнными являются керамические, бакелитовые и вулканитовые связки.

Керамическая связка состоит из огнеупорной глины, полевого шпата, кварца, мела, талька и других компонентов. Она обладает высокой пористостью, водоупорностью и допускает шлифование с охлаждением, однако является хрупкой и чувствительной к ударной нагрузке.

Органическая группа включает вулканитовую и бакелитовую связки, которые отличаются прочностью, эластичностью и возможностью использования при высоких скоростях, хотя их применение ограничено температурой окружающей среды.

По зернистости

Зернистость абразивных инструментов бывает грубой и очень мелкой. На дисках параметр маркируется аббревиацией FEPA или одной литерой «F». FEPA – это европейская федерация производителей абразивов, стандарт которой принят в России для маркировки зернистости шлифовальных кругов. Аббревиатура F перед числом обозначает размер зерна абразива согласно этому стандарту.

Маркировка зернистости начинается с крупных фракций (грубые диски), где число после F меньше, и заканчивается мелкими фракциями (очень мелкая зернистость), где число больше. Например:

• F36 – крупный абразивный материал, используемый для грубого шлифования;
• F80–F120 – средний диапазон, подходит для общего шлифования и удаления дефектов поверхности;
• F180–F220 – мелкие фракции, используются для чистового шлифования;
• F240 и выше – сверхтонкое шлифование, полировка.

Чем больше цифра после буквы F, тем мельче зерно абразивного круга и тоньше обработка материала. Примерно такая же градация у шлифовальной бумаги. Только вместо литеры «F» используется «P» (маркировка по ISO-6344). Размер зерна от 1000 до 3 мкм.

По форме зёрен

Геометрия абразивных крупиц также играет ключевую роль в процессе шлифовки металлов, поскольку влияет на характер взаимодействия зерна с поверхностью заготовки. Например, остроугольные и округлые зерна обладают разными свойствами, которые определяют их применение в зависимости от поставленной задачи.

• Остроугольные зёрна (чаще карбид кремния). Эффективны для быстрого съёма материала благодаря острым граням.
• Округлые зёрна (корунд). Менее агрессивны, но обеспечивают равномерное распределение нагрузки и более плавное шлифование.

Поэтому при выборе формы абразивного зерна необходимо учитывать конкретные требования обработки.

По степени твёрдости

Обозначения твёрдости абразивных инструментов, тех же кругов, делятся на несколько категорий в зависимости от уровня твёрдости связующего вещества, которое удерживает абразивные зёрна.

Твёрдость измеряется способностью абразивной массы сопротивляться износу при воздействии на обрабатываемый материал. Твёрдость по ГОСТ 19202-80 и ГОСТ 52587-2006 обозначается буквенными кодами, начиная от самых мягких и заканчивая самыми твёрдыми.

Таблица 2. Твёрдость по ГОСТ 19202-80 и ГОСТ 52587-2006

Очень мягкие (BM1, BM2, G, F) – подходят для деликатной обработки и финишной полировки. Используются для мягких металлов, таких как алюминий, медь, натрий, цинк, свинец, олово.

Мягкие (M1, M2, M3, J, I, H) – применяются для тонкой обработки, но уже могут использоваться для более твёрдых поверхностей некоторых металлов.

Средние (CM1, CM2, L, K) – универсальные абразивы, подходящие для большинства видов шлифовки и снятия материала средней толщины.

Полужёсткие (C1, C2, N, M) – чаще всего используются для черновой обработки металла, где требуется снимать значительные слои материала.

Жёсткие (CT1, CT2, CT3, Q, P, O) – предназначены для интенсивного шлифования, когда нужно быстро удалить большое количество материала.

Сверхжёсткие (T1, T2, S, R) – используются для работы с твёрдыми материалами, такими как закалённая сталь или титан. Особо жёсткие (BT, U, T) – самые прочные абразивы, предназначенные для высокопроизводительной шлифовки сверхпрочных металлов.

Чрезвычайно жёсткие (ЧТ, Z, Y, X, W, V) – обеспечивают максимальную стойкость к износу даже при работе с самыми твёрдыми металлами, такими как иридий или тантал.

2. Особенности шлифования различных металлов

Различные металлы имеют разные физико-механические свойства, что обусловлено их химической структурой, типом кристаллической решётки и микроструктурой. Эти различия делают каждый металл уникальным, требующим индивидуального подхода к выбору абразивного инструмента и режима шлифовки.

Стали

Для шлифования углеродистых и легированных сталей наиболее подходят корундовые и электрокорундовые круги. Они обеспечивают хорошую производительность и качество поверхности. При выборе инструмента важно учитывать твёрдость стали: для более твёрдых марок рекомендуется использовать более мягкие абразивы, чтобы предотвратить засаливание круга.

Нержавеющая сталь

Обработка нержавеющей стали требует особых мер предосторожности, поскольку этот материал склонен к образованию заусенцев и термическому повреждению. Рекомендуется использовать алмазные или циркониевые круги, обеспечивающие минимальное трение и высокую скорость удаления материала.

Цветные металлы

При работе с алюминием, медью и бронзой лучше всего применять карбидокремниевые круги. Эти материалы обладают низкой теплопроводностью, что снижает риск образования трещин и деформаций. Но с ними важно избегать перегрева, который может привести к налипанию металла на поверхность круга.

Титан и его сплавы

Титановые сплавы характеризуются высокой прочностью и коррозионной стойкостью, поэтому требуют особого внимания при шлифовании. Для обработки предпочтительны алмазные или циркониевые круги, способные выдерживать высокие температуры и обеспечивать стабильное качество результата от партии к партии.

3. От чего зависит выбор абразивного круга?

Правильный выбор абразивного круга для шлифовки металла непосредственно влияет на качество обработки, безопасность труда и экономичность производственного процесса. Неправильно подобранный круг может привести к недостаточной эффективности шлифовки, чрезмерному износу инструмента или повреждению обрабатываемой поверхности.

Учитывайте тип обрабатываемого материала

Материал заготовки определяет необходимые характеристики абразива. Например, для твёрдых сталей требуются более прочные и износостойкие круги, тогда как для мягких металлов важнее хорошая адгезия и отсутствие засаливания. Форма и размеры заготовки определяют тип и диаметр абразивного круга. Вот некоторые важные моменты, которые стоит учесть:

1. Плоские поверхности. Для плоского шлифования чаще всего используют плоские или торцевые круги. Это позволяет равномерно обработать большую площадь поверхности, обеспечивая высокую точность и гладкость.

2. Цилиндрические детали. Для обработки цилиндрических поверхностей применяют круги с соответствующей формой рабочей части, например, тарельчатые или чашечные. Такие инструменты обеспечивают равномерное снятие материала вдоль всей длины заготовки.

3. Профильные изделия. Если деталь имеет сложную геометрию, например зубья шестерёнок или фасонные поверхности, потребуются специализированные профильные круги. Они изготавливаются с учётом конкретного профиля детали, что позволяет точно повторить заданную форму.

4. Мелкосерийное производство. В условиях маломасштабного производства, где часто меняются формы и размеры заготовок, удобно использовать универсальные круги, такие как сегментированные или лепестковые. Они легко адаптируются к различным условиям работы и обеспечивают гибкость производственного процесса.

5. Микрообработка. В микроэлектронике и точной механике используются миниатюрные абразивные круги, предназначенные для тонкой шлифовки малых деталей. Диаметр таких кругов иногда достигает нескольких миллиметров, что требует особой осторожности при установке и эксплуатации.

6. Крупногабаритные детали. Для шлифовки крупных изделий, таких как валки прокатных станов или турбинные лопатки, применяются большие абразивные круги диаметром до 1,1 метра. Такие инструменты требуют специальных методов контроля качества.

7. Комбинация форм. Иногда для достижения оптимальной формы и качества поверхности применяется комбинация различных видов абразивных кругов. Например, сначала используется грубый круг для снятия основного слоя материала, а затем мелкозернистый для финишной обработки.

Важность правильной установки и настройки

Форма и размеры абразивного инструмента должны соответствовать требованиям конкретной задачи. Неправильная установка или несоответствие между инструментом и заготовкой могут привести к дефектам обработки, таким как неравномерная шероховатость, образование волн или даже разрушение самого шлифка.

Важно учитывать возможность регулировки положения круга, головки или шарошки относительно заготовки. В современных автоматических станках за это отвечает программное управление, позволяющее настраивать угол наклона и толщину срезанного слоя, обеспечивая тем самым высокий уровень точности и стабильности процесса.

4. Факторы, влияющие на выбор абразивного инструмента

Помимо уже рассмотренных аспектов, таких как тип обрабатываемого материала, форма и размеры заготовки, требуемое качество поверхности и режимы обработки, существуют дополнительные критерии, которые необходимо учитывать при выборе абразивного инструмента.

Уровень автоматизации процесса

Автоматика значительно упрощает выполнение повторяющихся операций, но накладывает свои требования на используемый инструмент. Абразив должен обладать достаточной долговечностью и стабильностью характеристик, чтобы минимизировать частоту замены и обслуживание оборудования.

Стоимость и экономическая эффективность

Экономический фактор играет одну из ключевых ролей в производственных процессах. Хотя высококачественные абразивные инструменты могут стоить дорого, их применение способно снизить затраты на производство благодаря:

• увеличению срока службы,
• снижению частоты поломок,
• повышению производительности.

Экологические аспекты

Современные тенденции в промышленности направлены на снижение воздействия на окружающую среду. Некоторые абразивные материалы могут выделять вредные вещества при нагревании, поэтому предпочтение лучше отдавать экологически безопасным вариантам.

Производительность и скорость обработки

Время выполнения операции является критическим параметром в массовом производстве. Выбор абразива, способного обеспечить максимальную скорость шлифования без потери качества поверхности, существенно влияет на общую производительность.

Безопасность труда

Использование некачественных или неподходящих абразивных кругов может представлять опасность для работников. Правильный подбор инструмента помогает избежать травм, связанных с разрушением круга и шрапнелированием осколков.

Сравнение абразивных материалов

Перед выбором обязательно сравните назначение и особенности интересующего материала. Учитывайте рекомендации металлообработчиков.

Таблица 3. Сравнение абразивных материалов

Рекомендации по применению абразивных кругов

• Для обработки твёрдых сталей и сплавов рекомендуется использовать корундовые или электрокорундовые круги.
• Мягкие металлы, такие как алюминий и медь, лучше обрабатывать карбидокремниевыми кругами.
• Нержавеющую сталь и другие труднообрабатываемые материалы следует шлифовать алмазными или циркониевыми кругами.
• Учитывайте требования к качеству поверхности и подбирайте соответствующую зернистость.

Правильный выбор абразива потребует комплексного анализа множества факторов, начиная от свойств обрабатываемого материала и заканчивая условиями эксплуатации и требованиями безопасности. Чем скрупулёзнее подходить к делу, тем выше шансы получить качественный продукт.

Заключение

Современный рынок предлагает широкий ассортимент абразивных материалов, позволяющий подобрать оптимальный вариант для любой производственной задачи. Правильный выбор обеспечит высокое качество обработки, экономию времени и снижение затрат. Каждая группа металлов предъявляет свои требования к шлифовальным инструментам, связкам и характеристикам. Важно учитывать не только физико-механические свойства самого металла, но и условия обработки, включая температуру, скорость вращения и тип оборудования.

Грамотный подход к выбору абразивного инструмента способен значительно повысить эффективность и качество производственных процессов, что в конечном итоге положительно скажется на конкурентоспособности вашего предприятия.