Продукция Предложение
Сайт наполнен тестовой информацией. Вам необходимо самостоятельно заменить ее на другую, соответствующую Вашим требованиям, сделать это можно через систему управления сайтом
Новости
02 Сентября 2011 год
Сайт наполнен тестовой информацией. Вам необходимо самостоятельно заменить ее на другую, соответствующую Вашим требованиям, сделать это можно через систему управления сайтом, которая уже открыта для Вас.
далее...

Научно-техническая информация

 

О некоторых аспектах проблемы изготовления   абразивных инструментов повышенной пористости

              В.И.Курдюков, г.Курган,Курганский госуниверситет, ул.Гоголя,25.

 

              Разнообразие условий обработки шлифованием (уровень производительности, обрабатываемый материал, технические требования по точности и качеству обработки, способ шлифования, тип  инструмента и т.п.) предполагает изменение структурных характеристик (объемных долей: зерна - Кз ; связки - Ксв ;  пор - Кп) абразивных инструментов ( АИ ) в довольно широких пределах. И нормативными документами предусматривается изготовление инструментов 12 номеров структуры и 16 степеней твердости, получаемых за счет изменения объемной доли зерен в диапазоне 62-38%, связки - 0,5-38%. При этом их объемная пористость получается в пределах 24-49,5%.                                                                    

         По принятой в отечественной абразивной промышленности системе пористость шлифовальных кругов одной и той же твердости (Ксв = const) не зависит от номера их структуры, т.е. от Кз и являетсоя постоянной. Изменение же Кп обеспечивается только за счет снижения или повышения твердости круга, т.е. Ксв /2/. Тот факт, что круги повышенной пористости работают более эффективно, при всех прочих равных условиях, известен давно. Так, например, еще в 1951 году Рахмаровой Н.С. /4/ показано, что при работе высокопористыми шлифкругами толщина дефектного поверхностного слоя уменьшается в 3-5 раз, температура в зоне шлифования снижается, прижоги ликвидируются. Окамура и Сасаки /3/  пришли к выводу, что съем металла при шлифовании не зависит от процентного содержания абразивных зерен в круге, но с повышением его пористости возрастает. Чтобы предотвратить "засаливание", нужно, по мнению R.Wheille /5/, выбирать шлифкруги с большей пористостью.

     Однако, для того, чтобы повысить пористость шлифкруга, необходимо либо снизить объемную долю зерна, либо связки, либо того и другого вместе. С другой стороны, первое уменьшит количество зерен на рабочей поверхности инструмента и приведет к  увеличению нагрузки на зерно; второе снизит прочность закрепления зерна и прочность шлифкруга. При одновременном изменении объемных  долей зерна и связки, оба процесса идут параллельно, но с разным эффектом. Так, снижение Кз приводит к увеличению размеров мостиков связки, скрепляющих зерна, из-за уменьшения их количества, вызванного снижением числа  контактов между зернами - координационного числа. Уменьшение же объемной доли связки однозначно ведет к снижению прочности удержания зерен на рабочей поверхности инструмента и его объемной прочности.

Сказанное наиболее характерно для абразивного инструмента, отличающегося высокой концентрацией зерен, каркас которого                      сформирован абразивными зернами, а связка их только «цементирует». Поэтому достичь существенного увеличения его пористости можно только за счет снижения  Кз. Тем более, что и значение Кз в таких инструментах, в большинстве случаев, находится в пределах 50%, т.е. значительно превосходит среднее значение Ксв = 8 - 15 %.

На этот вариант работает и тот известный факт, что в шлифовальных инструментах (за исключением инструментов на  эластичной основе) количество активных (участвующих в резании) зерен  не превышает 10 - 15 %.            Остальные - удаляются во время правок или в процессе самозатачивания  круга неиспользованными. Поэтому можно утверждать, с учетом мнения  Окамура и Сасаки /3/, что уменьшение Кз до какого-то предела вообще не вызовет каких-либо неблагоприятных последствий, с точки зрения кинематики процесса шлифования. В частности, не будет наблюдаться, как принято считать, снижения числа активных зерен на рабочей поверхности  и, связанного с этим, увеличения нагрузки на активное зерно. Просто с уменьшением Кз возрастет процент активных зерен.

Попытки получать инструмент с более низким содержанием зерна, не изменяя Ксв, и за счет этого  увеличивать его объемную  пористость наталкиваются на следующую трудность.

           В прессовке круга из такой абразивной массы зерна, при равномерном их распределении, будут контактировать друг с другом через прослойки связки. Во время обжига связка расплавится и зерна под действием собственного веса и сил поверхностного натяжения связки в местах их контактов начнут  смещаться навстречу друг другу и сформируют жесткий каркас, но меньшего объема. Произойдет, так называемая, усадка круга. В результате получится круг с большим Кз, и более высокой  степени твердости (большим Ксв), а значит, еще меньшей пористости, чем у круга с большим Кз, но изготовленного без усадки.      По этой причине  серийные отечественные технологии позволяют более или менее надежно  получать инструмент с объемным содержанием зерна46-52%,  связки от 4,5 до 30% и пористостью 24-43,5%.. При такой технологии, процесс образования пор в объеме круга идет произвольно (неуправляемо). В результате получаются поры нерегулярные как по форме, так и по объему и расположению

.        Кроме того, и прессовки из такой массы получаются рыхлыми и непрочными из-за ненадлежащего заполнения прессформы абразивной массой.                               Во избежание этого недостающий объем зерен вынуждены дополнять равным ему объемом связки.. Так для кругов одной твердости, например, СМ2, уменьшение объема зерна с 50 до 38% рекомендуется (см., например, /2/) компенсировать увелчением объема связки с 9,5 до 21,5%,т.е. на те же 12%, хотя, для выполнения своей основной функции - обеспечения требуемой прочности удержания зерна на рабочей поверхности круга, такого количества связки не требуется. Покажем это.

    Действительно, основная цель уменьшения объемной доли зерна   повысить пористость круга и, тем самым, улучшить условия работы режущих зерен,а значит, увеличить и стойкость круга, сохранив при этом уровень

 интенсивности съема обрабатываемого материала. Тогда из полученного нами в     /1 /  выражения  (3.27) для расчета силы удержания  зерен связкой на рабочей поверхности круга,

 

 

                        следует, что с уменьшением объемной доли зерна с Кз1 до Кз2 сила удержания зерен связкой падает пропорционально з1/Кз2)-0,353 и для компенсации этого падения объемную долю связки необходимо увеличить пропорцио нально (Ксв2/ Ксв1)0,47 , т.е. необходимо выполнить условие:

                                            ,                       (1)             

откуда

                                                            .               (2)             

 Здесь: ,  - пределы прочности материала связки на сжатие и

 растяже ние соответственно ; sр0 - средняя прочность ; mсв = 5- коэффициент

однородности материала керамической связки; dз0, К з0, К cв0, - начальные условия - харак теристики круга, для которого известна sр0 .

Одновременно, при той же производительности резания, у круга с                 меньшим Кз увеличится нагрузка на зерно за счет снижения количества режущих зерен на рабочей поверхности и соответствующего увеличения средней площади единичного среза.

Согласно выражения (3.35) для расчета числа зерен С на рабочей поверхности

круга, приведенного в  работе /1 /  :

     , [шт/м2] ,  где  h  - текущая глубина рабочего слоя шлифовального круга (см. рисунок 1),  нагрузка увеличивается пропорционально  и для компенсации этого увеличения необходимо увеличить объемную долю связки в  раз и,  по аналогии с (2), можно записать:.

                                                                     (3)

 

1

2

3

h

Матрица

 

 

 

 

Поверхност-

ный слой

 

Рисунок 1.- Фрагмент абразивного круга: 1- зерно; 2- связка; 3- пора

 

 

 

С учетом (2) и (3), выражение для пересчета объемной доли связки на измененные, за счет снижения объемной доли зерна, условия примет  вид:

                       .           (4)

Для нашего примера это будет:

                                                  ,

                      

т.е. объемная доля связки для круга 12 структуры могла быть взята не 21,5, а только »12%, что повысило бы пористость инструмента c 40,5% до 50,0%.

     Очевидно для достижения такого эффекта необходимо, чтобы недостающий объем прессовки дополнялся введением в абразивную массу какого-либо наполнителя определенного гранулометрического состава. При этом на стадии формования он выполнял бы роль опоры для зерен, равномерно их распределяя по объему и создавая жесткий каркас, а во время термообработки круга или непосредственно во время его эксплуатации удалялся, формируя пору.

         К настоящему времени с использованием такого подхода предложено большое количество способов изготовления АИ с повышенным содержанием пор.                                                                                                                                                          

 Анализ этих технических решений позволил заключить, что наиболее эффективным порообразователем являются частицы, способные выполнять при необходимости роль и опоры для абразивных зерен и пор. Причем пор закрытых, во избежание заполнения их связкой на стадии перемешивания компонентов абразивной массы и легко вскрывающихся при выходе на рабочую поверхность в процессе шлифования, либо расплавляющихся в процессе термообработки, не ухудшая физико- механических свойств контактных связей между зернами (мостиков связки). Этого легко можно достичь, если уже на стадии приготовления абразивной массы в ее состав ввести поры в их физическом эквиваленте, т.е. в виде максимально полых сферических частиц необходимого размера из материала с надлежащими (подходящими для условий технологического процесса изготовления конкретного абразивного инструмента) физикo-меxaничеcкими свойствами (прочность, температура плавления или термостойкость, химический состав, экологическая чистота и т.п.).

Кроме того, эти частицы должны соответствовать и ряду других требований, а именно :

- размеры и физико-механические их свойства должны обеспечивать формирование оптимального каркаса из абразивных зерен (их укладку) на стадии прессования и максимально сохранять его в процессе термообработки. При этом собственная пористость наполнителя должна быть максимальной, чтобы не снижать расчетную (рецептурную) пористость готового инструмента;

- иметь высокую адгезию к материалу связки или позволять нанести адгезионно-активные по отношению к связке покрытия, в случае, если условия изготовления инструмента не приводят к изменению их исходного состояния. Например, температура термообработки не превышает температуру плавления материала наполнителя. В противном случае, иметь химсостав, близкий к химсоставу связки или ее компонентов для сохранения расчетных физико-механических свойств последней;

- использование частиц не должно усложнять технологический процесс изготовления АИ и снижать его экологическую чистоту;

- иметь сферическую форму или близкую к ней. Пора такой формы снижает концентрацию напряжений, служит тормозом (ловушкой) на пути распространения трещин. При максимальном объеме имеет минимальную поверхность, что требует минимального количества связующего, создает оптимальные условия для размещения и удаления отходов шлифования из зоны резания.

Автору, совместно со своими коллегами, удалось подобрать такие наполнители и с их использованием разработать оригинальные технологии , позволяющие получать абразивные инструменты заданных  номеров структуры и индексов твердости, но существенно более высокой пористости за счет снижения, по сравнению с общепринятыми технологиями, объемной доли связки.

Этот факт подтвержден, например,  результатами производственной аттестации высокопористых кругов для глубинного шлифования, изготовленных по предложенной нами технологии.

 Здесь твердость ВМ 0 круга 12 номера зернистости с Кз=0,38 получена при Ксв= 0,055; а твердость BM l - при Ксв= 0,065,  ВМ2 - при Ксв= 0,075, т.е.при переходе от одной степени твердости к другой при изготовлении кругов по новой технологии необходимо было изменить Ксв не на 1,5%, как в серийной, а на 1,0%.

 Если теперь пересчитать процентное содержание связки для кругов с  Кз =38%  и твердости ВМ2, ВМ1, ВМ0 относительно начальных условий (круг шестой структуры - Кз = 0,5 и твердостью СМ2 - Ксв= 0,095),  то будем иметь для круга с Кз = 0,З8 по уравнению (3): , а при переходе от твердости СМ2 к твердости ВМ2, уменьшая количество связки на 1%, будем иметь следующие значения Ксв  и  Кп  (таблица 1.).

                                                                                                                 Таблица 1

Объем связки/пор абразивных кругов, изготовленных по новой технологии, %

Номер струк-туры

Объем зерна, %

Твердость

ВМ0

ВМ1

ВМ2

М1

М2

М3

СМ1

СМ2

6

50

2,9

   47,5

3,5

   46,5

4,5

   45,5

5,5

   44,5

6,5

   43,5

7,5

   42,5

8,5

   41,5

9,5

   40,5

7

48

3,0

   49,0

4,0

   48,0

5,0

   47,0

6,0

   46,0

7,0

   45,0

8,0

   44,0

9,0

   43,0

10,0

   42,0

8

46

3,5

   51,5

4,5,

   49,5

5,5

   48,5

6,5

   47,5

7,5

   46,5

8,5

   45,5

9,5

   44,5

10,5

   43,5

9

44

4,0

   52,0

5,0

   51,0

6,0

   50,0

7,0

   49,0

8,0

   48,0

9,0

   47,0

10,0

   46,0

11,0

45,0

10

42

4,5

   53,5

5,5

   52,5

6,5

   51,5

7,5

   47,5

8,5

   47,5

9,5

   47,5

10,5

   47,5

11,5

   47,5

11

40

5,0

   55,0

6,0

   54,0

7,0

   53,0

8,0

   52,0

9,0

   51,0

10,0

   50,0

11,0

   49,0

12,0

   48,0

12

38

5,5

   56,5

6,5

   55,5

7,5

   54,5

8,5

   53,5

9,5

   52,5

10,5

   51,5

11,5

    50,5

12,5

   49,5

 

 

 

При этом режущая способность опытного инструмента превосходила, при одинаковой производительности (одни и те же режимы резания), таковую высокопористых кругов, изготовленных с использованием выгорающих наполнителей  (перлит, фруктовая косточка) , где круги твердостью ВМ1 получены с Ксв = 0,1 и Ксв = 0,11 соответственно.

                Изложенное позволяет сделать следующее  заключение.

          Обеспечение устойчивого каркаса зерен и прочности сырца при изготовлении кругов с Кз < 50% за счет введения в абразивную массу дополнительного к необходимому количества связки неэффективно. В этом случае, если связка плавящаяся, круг дает усадку, а если спекающаяся - не обеспечивается необходимая прочность удержания зерна на рабочей поверхности круга и прочность круга в целом. Причем, со снижением объемной доли зерен в абразивной массе уже на стадии формования увеличивается неравномерность их расположения по объему круга, так как зерна не контактируют друг с другом и поэтому жесткого каркаса из зерен не получается.                    Повышенное содержание связки снижает потенциально возможную пористость круга, а значит, и поверхностную пористость, в результате чего теплонапряженность процесса шлифования повышается.

        Решение данной проблемы лежит в использовании технологий, предложенных нами или им подобных.   

                                Литература

 

          1. Курдюков В.И. Научные основы проектирования абразивных инструмент Монография - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2005. 159 с.

2. Любомудров В.Н. и др. Абразивные инструменты и их изготовление. - М. - Л.: Машгиз, 1953. - 376 с.

3. Окамура, Сасаки. Исследование режущей способности мелкозернистых абразивных брусков. Р.Ж. Маш. №12, 1958.

4. Рахмарова Н.С. Исследование эффективности круглого наружного шлифования высокопористыми кругами и кругами из монокорунда. Автореф. дисс... канд. тех. наук, Москва, НИИАТ, 1951.

5. Weille R. Современное состояние экспериментальных исследований по обработке металлов шлифованием. Пер. с франц. ВИНИТИ №26314, 2: 1962.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              

 

.