Научно-техническая информация

О некоторых аспектах проблемы изготовления   абразивных инструментов повышенной пористости

     В.И.Курдюков, г.Курган, Курганский государственный  университет, ул.Советская,63, строение 4

          ^{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 является 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 К_з возрастет процент активных зерен.}

^{Попытки получать инструмент с более низким содержанием зерна, не изменяя К_св, 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 К_з, и более высокой  степени твердости (большим К_св), а значит, еще меньшей пористости, чем у круга с большим К_з, 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 К_з1 до К_з2 сила удержания зерен связкой падает пропорционально (К_з1/К_з2)^-0,353 и для компенсации этого падения объемную долю связки необходимо увеличить пропорцио нально (К_св2/ К_св1)^0,47 , т.е. необходимо выполнить условие:

                                            ,                       (1)             

откуда

                                                            .               (2)             

 Здесь: ,  - пределы прочности материала связки на сжатие и

 растяже ние соответственно ; s_р0 - средняя прочность ; m_св = 5- коэффициент

однородности материала керамической связки; d_з0, К _з0, К _cв0, - начальные условия - харак теристики круга, для которого известна s_р0 .

Одновременно, при той же производительности резания, у круга с                 меньшим К_з 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)

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 К_з=0,38 получена при К_св= 0,055; а твердость BM l - при К_св= 0,065,  ВМ2 - при К_св= 0,075, т.е.при переходе от одной степени твердости к другой при изготовлении кругов по новой технологии необходимо было изменить К_св не на 1,5%, как в серийной, а на 1,0%.

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

                                                                                                                 Таблица 1

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

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 К_св = 0,1 и К_св = 0,11 соответственно.

                Изложенное позволяет сделать следующее  заключение.

          Обеспечение устойчивого каркаса зерен и прочности сырца при изготовлении кругов с К_з < 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.

.