1.2.3 Связки алмазно-абразивного інструмента

Наиболее важной характеристикой, определяющей не только эффективность, но и возможность применения алмазно-абразивного инструмента для данного материала, является связка. Она служит для закрепления алмазно-абразивных зерен и наполнителя в абразивном слое. Наполнитель (абразивные и металлические порошки, антифрикционные вещества) является компонентом абразивоносного слоя, обеспечивающим инструменту стойкость и необходимые режущие свойства. Он определяет физико-механические, теплофизические и другие свойства абразивоносного слоя.

В настоящее время алмазно-абразивный инструмент выпускается на органических, металлических, керамических, каучукосодержащих и гальванических связках. Качество многих из них характеризуется твёрдостью, то есть их сопротивляемостью вырыванию алмазно-абразивных зерен с рабочей поверхности инструмента под влиянием внешних сил. Степенью твердости инструмента определяется его поведение в работе. Термин «твердость» в данном случае не имеет отношения к характеристике свойства алмазно-абразивного материала, из которого изготовлен инструмент. Твердость алмазно-абразивного инструмента является комплексным показателем и измеряется только в зависимости от соотношения количества абразивных зерен, связки и пор в конкретном инструменте.

В подразделениях твёрдости цифры 1, 2, 3 указывают на твёрдость рабочего слоя инструмента в порядке её возрастания. Пределы твердости инструмента зависят от марки связки. Так, алмазно-абразивный инструмент на керамической или бакелитовой связках выпускается в интервале М1−ЧТ2, а инструмент на вулканитовой связке – СМ1-Т2.

Таблица 1.1 – Обозначение твёрдостиалмазно-абразивного инструмента

Подразделения твердости	Обозначение твердости инструмента
Мягкий – М	М1, М2, М3
Среднемягкий − СМ	СМ1, СМ2
Средний – С	С1, С2
Среднетвёрдый − СТ	СТ1, СТ2, СТ3
Твёрдый – Т	Т1, Т2
Весьма твёрдый – ВТ	ВТ1, ВТ2
Чрезвычайно твёрдый − ЧТ	ЧТ1, ЧТ2

Твёрдость алмазно-абразивного инструмента на органических и керамических связках измеряют на приборе «Роквелл» стальным шариком диаметром 5 или 10 мм. Для этого вначале прикладывают предварительную нагрузку 98,06Н, а затем основную. Инструменты твердостью М1–М3 испытывают с основной нагрузкой 147 Н шариком диаметром 10 мм, прочий инструмент – с нагрузкой980,6шариком 5 мм. Результаты измерений отсчитывают по шкале «В» индикатора. Твердость определяют по средним арифметическим значениям показаний прибора, полученным при ее измерении не менее чем в трёх точках, равномерно расположенных на раблчей поверхности инструмента.

Твёрдость алмазно-абразивного инструмента на металлических связках определяют на приборе «Роквелл» по шкале «В» путем вдавливания стального шарика диаметром 3,175 ± 0,001 мм при нагрузке 588,4 Н с точностью измерения ± 5.

Весьма важно значение структуры для кругов на керамических связках. Например, инструмент из эльбора на керамической связке изготовляется с заранее заданной структурой. Каждой структуре присваивается номер. Выпускается инструмент со структурой от № 1 до № 2; чем выше номер структуры, тем больше содержание связки и меньше абразивного зерна в единице объема инструмента. Структуры № 1−4 называют закрытыми (плотными), № 5−8–средними, № 9−12 – открытими.

Органические связки. Органические связки (бакелитовая, карболитовая и вулканитовая) являются наиболее распространёнными. Они состоят из порошкообразной фенольной смолы марки СФ-012А, которая при горячем прессовании полимеризуется в твердое, достаточно прочное вещество, способное удержать алмазно-абразивные зерна.

Инструменты на органических связках (Б1, Б2, Б3, Б4, ТО2, КБ6) оказывают хорошее полирующее действие, легко самозатачиваются , но вместе с тем такие связки недостаточно жесткие и не могут обеспечивать надлежащую опору для алмазно-абразивных зерен при малой их концентрации. Поэтому в органические связки, как правило, вводят наполнители из абразивных (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора и др.), металлических и антифрикционных порошков, карбидов тугоплавких металлов. От вида наполнителя зависят интенсивность износа инструмента, степень достигаемой им шероховатости поверхности и технико-экономические показатели.

При шлифовании кругами на органических связках в зоне резания возникают низкая температура и незначительные силы резания. Поэтому затачивание и шлифование можно проводить без охлаждения. Основным недостатком инструмента на органической связке является его относительная низкая стоимость, в результате чего увеличивается расход алмаза и, как правило, повышается стоимость обработки.

В последнее время широкое распространение получили связки, в которых в качестве наполнителей применяются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Введение ПАВ в зону резания значительно снижает поверхностную энергию и ускоряет процесс диспергирования поверхности обрабатываемого материала. К таким связкам относятся Б156, ТО2, БП2, ЛБ5, Б2-03 (ЛБ3) и другие.

Для них характерна высокая режущая способность и низкий удельный расход СТМ. С целью повышения эффективности органических связок в кругах используют агрегированные порошки алмаза (металлизация в вакууме из жидкой фазы). Они имеют значительно большую, чем одиночное зерно или единичные металлизированные зерна, сильно развитую поверхность, поэтому лучше удерживаются органической связкой и могут выдерживать большие нагрузки, что значительно снижает удельный расход алмазов.

Металлические связки. Металлические связки представляют собою многокомпонентную систему, включающую в различных сочетаниях следующие металлы: медь, олово, алюминий, вольфрам, кобальт, железо, никель и т.п. В зависимости от назначения и способа изготовления металлические связки делят на несколько групп. По способу изготовления – литые металлокерамические, гальванические, литые с ультразвуковым перемешиванием (М5, М5-1) и др.; по виду металлической основы –бронзовые (М1, МИ, МК, М3, М73), металлосиликатные (МС1, МС3, МС8, МС15), на основе алюминия (МО4, МО14, МВ1), железоникеливые (Ж1, МЖ), кобальтовые (МО3, МТЛ, М50) и др.; по структуре алмазного слоя – без наполнителя (М1, М3), с абразивным наполнителем в виде стекла, ситалла и т.п.

Наиболее прочные, износостойкие, с хорошим алмазоудержанием связки МЖ, МТЛ, МО3, в структуре которых преобладают пластичные фазы. Они обеспечивают высокую работоспособность инструмента из прочных алмазов АС15, АС32, АРС3 в условиях высокоабразивной среды при обработке бетона, гранита и других подобных материалов и совершенно непригодны для обработки металлических материалов, поскольку своевременно не обнажаются зерна абразива, в результате чего инструмент засаливается и теряет режущие свойства.

Связки на основе Cu–Su(М1, М73, М26 и т.д.) менее прочные, чем связки МЖ, МО3, МТЛ, и в зависимости от конкретного состава по свойствам значительно отличаются между собой: инструмент на основе таких связок эффективно применяются при обработке твердых, а также некоторых марок железоуглеродистых и титановых сплавов.

В ИСМ АН УССР разработан ряд адгезионно-активных металлических пористых связок МП1, МП3, МП4, МП5 с повышенным алмазоудержанием. Они в основном предназначены для изготовления алмазных хонинговальных брусков, применяемых при обработке моторных гильз из серых и закаленных чугунов.

Инструментом на металлических связках обрабатывают высокопрочные и вязкие материалы, когда на алмазно-абразивные зерна действуют повышенные нагрузки.

Металлические связки прочнее, чем органические и не органические, но они быстрее засаливаются. При шлифовании вязких материалов кругами на металлической связке возникают большие значения сил и температур резания. Поэтому, как правило, зону шлифования обильно охлаждают.

Металлические связки обладают высокой износостойкостью и могут использоваться для фасонного и профильного шлифования, обработки пазов, выступов и т.п.

Керамические связки. К керамическим связкам относятся К1, К5, СК и др. В их состав входит глина, полевой шпат, кварц, ситаллы и другие материалы. Для повышения пластичности и формуемости в керамическую массу добавляют клеящие вещества (растворимое стекло, декстрин, сахар и т.п.). Зачастую в нее входят наполнитель в виде абразивных (шамот из глиноземистой керамики, силикат циркония, карбид бора) или металлических порошков (тальк, цинк, алюминий). Так, керамическая связка К1 состоит из 58 % шамота, 22 % фриттованного стекла, 10 % карбида бора и 10 % алюминия металлического, а связка СК – из 57 % силиката циркония и 43 % по массе фриттованного стекла.

Важной особенностью керамических связок является высокая пористость (25…40 %), что обеспечивает низкое тепловыделение в зоне шлифования инструментом. Это позволяет высококачественно затачивать твердосплавный инструмент вместе со стальной державкой, а также суперфинишировать стальные детали машин и шлифовать экраны кинескопов.

Керамические связки придают алмазным инструментам высокую прочность, теплостойкость, повышенную водостойкость и химическую устойчивость, поэтому их применяют как для предварительного, так и окончательного шлифования.

Недостатком их является то, что они обладают повышенной хрупкостью, вследствие чего круги на этих связках не могут применяться там, где возникают изгибающие усилия или ударное воздействие [2].