Как выбрать шлифовальный круг: маркировка по ГОСТ 2424-83, зернистость и твёрдость

Общую технологию вала, где шлифование стоит последней операцией, мы разобрали в статье как изготавливают валы и оси, а посадки шеек под подшипники в материале про поля допусков. Здесь речь о самом инструменте: что написано на торце круга, как из этой записи собрать выбор и что произойдёт, если ошибиться на одну ступень.

Как читать маркировку круга по ГОСТ 2424-83

Стандарт распространяется на круги общего применения на керамической (К), бакелитовой (Б) и вулканитовой (В) связках. Пример записи в самом ГОСТ выглядит так: 1 500×50×305 25А 10-П С2 7 К1А 35 м/с А 1 кл. В старых каталогах и на круге заводского выпуска вместо цифры типа можно встретить «ПП» (плоский прямого профиля), а в международной записи по ISO 525 тип 1 называется Type 1.

Две детали из стандарта стоит знать заранее. Рабочие скорости для кругов типа 1 заданы рядом 30, 35, 40, 50, 60 и 80 м/с, а для чашечных типов 6, 11, 12 и 14 только 20, 25 и 30 м/с. Классы неуравновешенности связаны с классом точности: круг АА выпускают только 1-го класса, круг А допускает 1-й и 2-й, круг Б вплоть до 3-го.

Абразив: что шлифовать чем

Абразив выбирают по обрабатываемому материалу, и дело тут не только в твёрдости зерна. Карбид кремния твёрже электрокорунда, но при температуре в зоне резания его углерод растворяется в железе, зерно быстро затупляется, и круг начинает греть деталь. По чугуну, где углерода уже много, он работает хорошо. А для сталей карбид кремния не подходит.

Алмаз по стали не годится по той же причине: при 700–800 °C он окисляется и растворяется в железе, поэтому алмазные круги выбирают для твёрдого сплава, стекла и керамики. В таблице ГОСТ 2424-83 для каждого абразива заданы допустимые номера зернистости: нормальный электрокорунд поставляется зернистостями от 50 до 4, белый от 50 до 5 и микропорошками М63–М10, монокорунд от 50 до 8.

Резец с напайкой из твёрдого сплава затачивают зелёным карбидом кремния 63С–64С, зерно F40–F60, твёрдость L–M. Белый электрокорунд на напайке греет её сильнее, а нагрев и резкое охлаждение дают трещины в пластине. Для быстрореза вместо алмаза берут эльбор.

Зернистость: номер, размер зерна и шероховатость

На кругах встречаются три системы. ГОСТ 3647-80 даёт номер, равный размеру зерна основной фракции в сотых долях миллиметра: у зернистости 25 это примерно 250 мкм, и чем номер больше, тем зерно крупнее. Шкала FEPA F (она применяется для кругов на связке) устроена наоборот: больше номер означает мельче зерно. Для шлифшкурки, лент и листов действует шкала FEPA P, на которую согласован ГОСТ Р 52381-2005.

Соответствие между шкалами приблизительное: они построены на разных рядах сит. Поэтому в заказе указывают шкалу буквой, а не просто «зернистость 400»: F400 и P400 различаются вдвое по размеру зерна.

Правило подбора простое: берут самое крупное зерно, которое ещё даёт нужную шероховатость. Крупное зерно режет свободнее, быстрее снимает припуск и меньше греет деталь. Требуемую Ra берут из чертежа, а что даёт каждая операция, показывает справочник по шероховатости (классы по ГОСТ 2789-73):

Диапазоны широкие: результат зависит ещё от правки круга, подачи и жёсткости станка. Пересчитать Ra в Rz поможет калькулятор, а шейке под подшипник с Ra 0,8 достаточно чистового шлифования.

Твёрдость круга: чем твёрже деталь, тем мягче круг

Степень твёрдости означает, насколько прочно связка держит зёрна, а не твёрдость самого абразива. Зерно у кругов любой твёрдости одинаковое. Мягкая связка вовремя отпускает затупившиеся зёрна, круг «самозатачивается». Слишком твёрдый круг зёрна не отпускает, затупляется, деталь греется, и появляются прижоги.

По ГОСТ шкала такая: ВМ1–ВМ2 весьма мягкий, М1–М3 мягкий, СМ1–СМ2 среднемягкий, С1–С2 средний, СТ1–СТ3 среднетвёрдый, Т1–Т2 твёрдый, ВТ весьма твёрдый, ЧТ чрезвычайно твёрдый. В зарубежной маркировке используются буквы от A (мягкий) до Z (твёрдый): СМ1–СМ2 примерно соответствуют K–L.

Ориентиры по операциям (справочные таблицы, уточняйте по каталогу производителя круга):

В разных источниках диапазоны чуть расходятся. Для закалённой стали каталог «Сплав» называет М3–СМ2, а справочник ukrabraziv даёт СМ1–СМ2. Это нормально: твёрдость подбирают по пробной обработке, а таблица задаёт стартовую точку.

Мягче берут и при большой площади контакта (внутреннее шлифование, торцом круга). Для работы без охлаждения справочник советует идти на ступень-две мягче.

Структура, связка и скорость

Структура показывает долю пор: 1–4 плотная, 5–8 средняя, 9–12 открытая. Поры забирают стружку и охлаждающую жидкость в зону резания, поэтому при вязких материалах и больших площадях контакта выбирают более открытую структуру, а для профильного шлифования, где круг должен держать форму, более плотную.

Керамическая связка (К) подходит для большинства станочных операций: она жёсткая, термостойкая и держит профиль, но хрупка и для отрезки не годится. Бакелитовая (Б) эластичнее и выдерживает удары, из неё делают обдирочные и отрезные круги. Вулканитовая (В) идёт на тонкие отрезные круги, полировальные и ведущие круги бесцентровых станков.

Пример: круг для шейки вала Ø40 под подшипник

Допущения: вал из стали 45 (сталь 45 после закалки ТВЧ), твёрдость шейки около 48 HRC, диаметр шейки 40 мм, поле допуска k6, шероховатость Ra 0,8, круглошлифовальный станок с охлаждением. Круг типа 1 диаметром 400 мм, отверстие 127 мм, высота 40 мм: такой размер есть в таблице 1 ГОСТ 2424-83.

Запись получается такой: 1 400×40×127 25А 16 СМ1 6 К5 35 м/с А 1 кл.

Теперь скорость. Обороты шпинделя считают по формуле n = 60·v / (π·D). Для v = 35 м/с и D = 0,4 м получаем 2100 / 1,2566 ≈ 1671 об/мин. Если на шпинделе стоят обороты 2400 (настройка для круга меньшего диаметра), скорость на кромке составит π·0,4·2400 / 60 = 50,3 м/с. Это в 1,44 раза выше предельной, а механические напряжения от центробежных сил растут пропорционально квадрату скорости: 1,44² ≈ 2,06. То есть круг нагружен вдвое сильнее, чем рассчитывал изготовитель.

Как понять, что круг не подошёл

Первый подобранный круг редко оказывается лучшим, поэтому на пробной детали смотрят на три вещи.

Менять советуют один параметр за раз и на один шаг.

Прижоги и огранка: два дефекта, по которым узнают неудачный выбор

Прижог возникает, когда поверхностный слой закалённой стали нагревается в зоне шлифования выше температуры отпуска или выше критической точки. Деталь выходит в размер и выглядит нормально, но слой стал мягче или повторно закалился, а усталостная прочность упала. Выделяют три вида: прижог отпуска (твёрдость снижена на несколько единиц HRC, после травления тёмные пятна), прижог вторичной закалки (светлое пятно с тёмной каймой) и шлифовальные трещины (сетка, чаще поперёк следов обработки).

Прижог часто не виден глазом, поэтому его проверяют травлением в слабом растворе азотной кислоты (нитал, метод стандартизован по ISO 14104 и AMS 2649), шумом Баркгаузена или вихретоковым контролем. Цвета побежалости следующий проход снимает, так что их отсутствие ничего не доказывает.

Причин четыре: слишком твёрдый или засаленный круг, большая глубина шлифования при малой скорости детали, мало охлаждающей жидкости и плохая правка. Если прижоги появляются на первых деталях после правки, виновата правка: поверхность круга слишком гладкая, подачу алмаза нужно увеличить.

Огранка (гранность) выглядит как чередующиеся светлые и тёмные полосы вдоль оси детали. Она связана с вибрацией. Если полосы идут на равном расстоянии, причина в дисбалансе круга или двигателя, и круг нужно отбалансировать, в том числе после каждой правки. Если шаг неравномерный, проверяют центровые отверстия и центры станка. Частоту можно определить по следу: скорость детали делят на шаг полос. Для скорости детали 20 м/мин (333 мм/с) и шага 12 мм получается 27,8 Гц. Круг в нашем примере вращается с частотой 1671 / 60 = 27,85 Гц, значит, совпадение точное, и причина в дисбалансе круга.