автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование и разработка алмазосодержащих материалов абразивного назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ)

ии^"--

На правах рукописи

СЕМЕНОВА ЕВГЕНИЯ СПАРТАКОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ II РАЗРАБОТКА АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ АБРАЗИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА (СВМПЭ)

Специальность: 05.02.01 - материаловедение (машиностроение) Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 22559

Комсомольск-на-Амуре - 2009

003463725

Работа выполнена в Институте проблем нефти и газа СО РАН и в Якутском государственном университете им. М.К. Аммосова

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Шиц Елена Юрьевна (г. Якутск)

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Яковлева Софья Петровна (г. Якутск)

кандидат технических наук Злыгостев Алексей Михайлович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация: Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН (г. Якутск)

Защита состоится « 20 » марта 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201-3. Тел./факс: (4217) 53-61-50. E-mail: mdsov@knastu.nl.

Автореферат разослан « » февраля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ДМ 212.092.01, кандидат

технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание приборов, оборудования и машин нового поколения с высокими технико-экономическими характеристиками, отличающихся надежностью и долговечностью, тесно связано с разработкой современного высокопроизводительного и ресурсосберегающего обрабатывающего инструмента.

Инструментальные материалы на основе полимеров и полимерных композиционных материалов имеют весомое значение и играют прогрессивную роль в развитии многочисленных отраслей машиностроения, т. к. изделия из этих материалов имеют меньшую массу, работают практически бесшумно, обладают демпфирующей способностью, а также могут эффективно применяться в химически активных и инертных средах, в широком интервале нагрузок и скоростей скольжения. Кроме того, к несомненному достоинству абразиво-шлифовальных материалов на полимерной основе по сравнению с композициями на основе металлов, сплавов и керамики можно отнести возможность значительного снижения трудоемкости и энергоемкости их переработки в готовый к применению инструмент.

Однако, все преимущества абразивного шлифования в полной мере проявляются только при правильном выборе и достаточном ассортименте обрабатывающих материалов, которые должны обладать повышенными плотностью и твердостью, высокотемпературной прочностью, износостойкостью и работоспособностью. В Рф и за рубежом инструменты на органической основе разрабатываются, как правило, с использованием бакелитового и вулканитового связующих с добавлением в их основу синтетических шлифовальных материалов,чем, безусловно, значительно ограничиваются области и возможности применения инструмента на основе полимеров. Выявление нетрадиционных полимеров, перспективных для использования в качестве связующего, а также всестороннее исследование и создание на их основе композиционных алмазосодержащих материалов (KAM), характеризуемых повышенной износостойкостью, в значительной мере будет способствовать созданию инструментов нового поколения с требуемыми техническими параметрами.

Цель работы: создание абразивных композиционных материалов на основе СВМПЭ (сверхвысокомолекулярного полиэтилена) и технических ППА (порошков природных алмазов) для эффективной реализации процессов шлифования и полирования поверхностей различной природы.

Задачи:

• разработка технологии получения алмазосодержащих материалов на основе СВМПЭ и их переработки в изделия инструментального назначен™;

• исследование закономерностей влияния ППА на структуру и морфологические характеристики СВМПЭ и физико-механические свойства композиционных алмазосодержащих материалов (KAM);

• исследование уровня работоспособности алмазного инструмента на основе СВМПЭ в зависимости от характеристик KAM и технологических параметров процесса обработки;

• разработка оптимальных составов KAM на основе СВМПЭ, обеспечивающих наиболее эффективную обработку различных материалов и высокие эксплуатационные параметры инструмента.

Научная повтна и значимость полученных результатов: Разработана технология горячего прессования KAM, основанная на использовании более высоких давлений прессования н исключении стадии выдержки образцов в пресс-форме под давлением.

Установлена корреляция физико-механических, структурных и эксплуатационных характеристик абразивных материалов на основе СВМПЭ с количеством и зернистостью используемых ППА, варьирование которых позволяет существенно увеличить работоспособность инструмента.

Установлены параметры процессов абразивной обработки инструментом на основе СВПМЭ и ППА, реализующие принцип самозатачивания как при шлифовании минерального сырья, так и сталей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций: обеспечена применением стандартных методик проведения экспериментов и современного оборудования. Исследование физико-механических характеристик KAM на основе СВМПЭ производились в аккредитованной испытательной лаборатории «Проблем коррозии и старения ИПНГ СО РАН» (аттестат№ РОСС RU. 0001.21КК14).

Практическая ценность работы: Впервые разработана технология получения и спекания под давлением композиций на основе СВМПЭ и ППА, использование которой позволяет формировать плотные макрооднородные материалы без зазоров и пор и, как следствие, получать инструменты с точными геометрическими параметрами и высокими эксплуатационными показателями. Установлены технологические режимы получения инструментов, позволяющие проводить процесс переработки KAM в ускоренном режиме, что значительно сокращает энерго- и трудозатраты.

Впервые на основе СВМПЭ и ППА разработан композит инструментального назначения, предназначенный для шлифования-полирования как вязких и мягких, так и хрупких и твердых материалов.

Оригинальность разработки и практическая значимость полученных результатов подтверждены патентом РФ.

Положения, выносимые на защиту: • полученные характеристики KAM, технология переработки и эксплуатации алмазосодержащего инструмента на основе СВМПЭ, реализующие принцип самозатачивания;

• технологические параметры процесса переработки KAM и оснастка, способствующие формированию высоконасыщенного абразивом рабочего рельефа апмазонесущего слоя с точными геометрическими размерами;

• особенности кристаллической и надмолекулярной структуры СВМПЭ в KAM, обеспечивающие алмазоудержанне и повышенную износостойкость инструмента.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на: III и IV-om Евразийских симпозиумах «Проблемы прочности материалов и машин для регионов холодного климата», г. Якутск, 2006-2008гг.; Международной научно-технической конференции «Поликомтрнб-2007», г. Гомель; IV Международном симпозиуме «Химия и химическое образование», г. Владивосток, 2007 г.; XXVIII Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», г. Ялта, 2008 г.; Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г, С.-Пб., 2008 г.; XLVI международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», г. Новосибирск, 2008 г.; Всероссийской конференции по макромолекулярной химии, г. Улан-Удэ, 2008 г.; Научной конференции молодежи «Эрэл-2007», г. Якутск; конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Лаврентьевские чтения», г. Якутск, 2005- 2008 гг.

Публикации: Основные результаты исследований отражены в 24 научных работах, в том числе 3 статьях в научных журналах, 20 докладах н тезисов докладов научно-практических конференций, 1 патенте РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из ¡33 наименований. Полный объем диссертации составляет 118 стр., включая 16 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы работы.

В главе 1 «Основные направления разработки абразивных алмазосодержащих материалов на полимерной связке» проведен аналитический обзор работ, посвященных исследованию и разработке абразивных инструментальных материалов на органической основе. Рассмотрены основные типы органических связующих материалов, которые в настоящее время применяются для создания режущего, шлифовального и полировального инструмента. Определены основные требования, предъявляемые к связке абразивного инструмента, в соответствии с которыми установлены их основные достоинства и недостатки.

Показано, что, несмотря на достаточно большое количество связок и разработанных на их основе композиций, не существует универсальной, пригодной для эффективной обработки различных по своим свойствам поверхностей. Исходя из этого, необходим поиск новых решений повышения работоспособности алмазного инструмента. Одним из наиболее перспективных направлений решения этой проблемы является применение новых полимерных связующих материалов.

С этой точки зрения в области разработки абразивных инструментов принципиально новым термопластичным полимером, освоенным отечественной промышленностью, является сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Уникальное сочетание свойств СВМПЭ, таких как высокие значения твердости, ударной прочности, химической и износостойкости, низкий коэффициент трения и широкий рабочий интервал температур эксплуатации позволяют считать этот полимер перспективным для применения в качестве связки алмазного абразивного инструмента.

Однако только всестороннее исследование физико-механических, триботехнических и эксплуатационных свойств алмазно-абразивных композитов, а также разработка и совершенствование технологии их изготовления, позволят создать эффективный алмазный инструмент для шлифования поверхностей различной природы на основе предлагаемого полимерного связующего материала - СВМПЭ в сочетании с уникальным по своим свойствам абразивным материалом - порошками природных алмазов.

В главе 2 «Объекты и методы исследгзания» приведено описание объектов и методов исследований.

Объектами исследования являлись: СВМПЭ с молекулярной массой 4-5 млн., средними размерами частиц от 50 до 150 мкм и плотностью 940-950 кг/м3 (ТУ 6-05-18-9680); технические порошки природных алмазов (ППА), зернистостью 63/50 и 125/100 мкм (ГОСТ 9206-85); KAM на основе СВМПЭ с различным содержанием алмазного наполнителя (от 10 до 50 мас.%), полученные технологией горячего прессования.

Плотность KAM определяли по ГОСТ 15139-69; усадку - по ГОСТ 18616 - 80; физико-механические характеристики: напряжения сжатия при пределе текучести и сжатия при установленной условной деформации, модуль упругости при сжатии по ГОСТ 4651-82 и 9550-81, соответственно.

Рентгеноструктурный анализ алмазосодержащих образцов проводился на рентгеноспектрометре ДРОН-2 по схеме Брегга-Брентано (Cu-излучение, напряжение -30 кВ, ток - 20 мА), а также на дифрактометре с двухкоординатным детектором GADDS фирмы Брюккер (Bruker, США).

Исследования ИК-спектров образцов осуществляли на ИК-Фурье-спектрофогометре Paragon 1000 фирмы Perkin Elmer с числом сканов 16 и разрешением 4 см"1 и на ИК-Фурье-спектрофотометре NEXUS фирмы Thermo Nicolet с теми же параметрами сканирования.

Надмолекулярную структуру образцов СВМПЭ и KAM изучали на растровом электронном микроскопе XL-50 фирмы Phillips.

Триботехнические испытания проводили с применением смазочно-охлаждающей жидкости (воды) на машине трения СМЦ-2 при вращательном движении по схеме палец -диск с различной нагрузкой (100, 150, 200 Н). Продолжительность испытаний составляла 10...30 мин, скорость вращения вала 300 об/мин (50-60 м/с). Обрабатываемый материал (контртело) представлял собой термообработанную до HRC 50+1 сталь 40Х и

минеральное сырье с твердостью 6,5...7,0 по шкале Мооса (нефрит), из которых изготавливали образцы размерами 52x12x10 мм. Алмазосодержащие образцы имели форму цилиндра диаметром 10 мм и высотой 10 мм. Работоспособность алмазного инструмента оценивали по экспериментальным значениям массового износа инструмента и обрабатываемого материала, па основании которых рассчитывали удельный массовый расход алмазов (Q) и производительность обработки (А).

Степень засаливания инструмента на основе СВМПЭ определяли визуально по фотографиям рабочих поверхностей, полученным на оптическом микроскопе Motic при увеличении в 40 раз, а также количественно, путем удаления продуктов износа с поверхности с помощью разбавленной соляной кислоты.

Оценку насыщенности поверхностей образцов алмазными частицами производили по фотографическим снимкам с помощью универсальной интегрированной математической программы Malhcad.

Температуру контактной рабочей зоны «алмазосодержащий образец -обрабатываемый материал» в процессе шлифования определяли бесконтактным высокочувствительным инфракрасным радиометром Thermo Tracer TH102AVV; фазовые переходы образцов KAM на основе СВМПЭ определяли методом дифференциально-сканирующей калориметрии на приборе DSC 204 HP/1/G Phoenix® фирмы NETZSCH.

В главе 3 «Разработка технологии получения и переработки композиционных алмазосодержащих материалов (KAM) на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ)» рассмотрены существующие способы переработки СВМПЭ в изделия. Показано, что технология горячего прессования является наилучшим методом по сравнению с известными для переработки алмазосодержащего СВМПЭ и получения образцов обрабатывающего инструмента.

На стадии формирования, либо на последующих стадиях переработки, в СВМПЭ могут происходить существенные изменения, например, изменение надмолекулярной структуры, которые могут быть использованы для целенаправленного воздействия, предпринимаемого для улучшения физических и механических характеристик композита в целом.

Для определения особо значимых режимных факторов технологического процесса на изменение плотности, прочности, усадки, а также макрооднородности композиции и равномерности распределения частиц ППА на поверхности образцов, варьировались: удельное давление, время и температура прессования, продолжительность процесса смешения компонентов при подготовке композиции к переработке.

Установлено, что применение температуры свыше 180 °С и давления прессования свыше 75 МПа приводит, либо к значительной деформации и потере стабильности размеров образцов, либо к практически полному истечению материала композиции из пресс-формы. Исследование физико-механических характеристик и усадки образцов показало, что для получения образцов с наиболее близкими значениями экспериментальной и аддитивной плотности, высокими, более чем на 35 % и выше,

значениями прочностных характеристик, чем у ненаполненного СВМПЭ, а также наименьшими значениями усадок- 2-3%, необходимо проводить процесс переработки в соответствии с установленным технологическим регламентом (рис.1).

Известно, что количество абразивных зерен на поверхности инструмента формирует его режущий рабочий рельеф, что оказывает значительное влияние на производительность. Установлено, что на полученных в результате переработки KAM на основе СВМПЭ образцах наиболее равномерное распределение алмазных частиц, как на верхней, так и на нижней поверхностях изделий достигается при продолжительности смешения композиции 240 с. Самыми высокими значениями насыщенности алмазными частицами, на 40-42%, отличаются поверхности образцов, содержащие в своей основе 30 мас.% ППА. (табл. 1).

Таблица 1

Насыщенность алмазнымн частицами поверхностей образцов инструмента па

основе СВМПЭ (%)

Концентрация ППА, мас.% Продолжительность смешения композиции, с

120 240

Верхняя поверхность (в непосредственном контакте с пуансоном) Нижняя поверхность Верхняя поверхность (в непосредственном контакте с пуансоном) Нижняя поверхность

10 35 37 35 35

20 36 39 38 39

30 40 42 42 42

40 33 37 37 37

50 30 34 34 33

Установлено, что значимость продолжительности прессования при температуре спекания как технологического фактора невелика, т. к. ее изменение в ту или иную сторону не сказывается на качестве получаемых образцов и уровне исследуемых характеристик. На этом основании стадия выдержки KAM в пресс-форме была исключена из технологического процесса. Общая продолжительность технологического процесса получения алмазосодержащих образцов при исключении стадии выдержки снижается в 1,5 раза, чем при переработке ненаполненного СВМПЭ.

Таким образом, в настоящем исследовании разработана технология спекания алмазосодержащих композиций на основе СВМПЭ под давлением в ускоренном режиме и отработаны рациональные режимы ее проведения, позволяющие получать образцы с минимальной пористостью и точными геометрическими размерами.

Рис. 1 Последовательность технологических воздействий в процессе получения абразивного инструмента на основе СВМПЭ и ППА

Кроме того, с целью практической реализации технологии переработки алмазосодержащего СВМПЭ методом горячего прессования на основе базовых приемов и требований к конструированию форм для изготовления изделий из термопластов, а также с учетом того обстоятельства, что оснастка предназначена для изготовления шлифовального инструмента, основной характеристикой которого является высокая абразивная способность, была разработана специальная 7-ми местная пресс-форма. Применение многоместной формы позволило значительно облегчить трудоемкий процесс прессования алмазосодержащих композиций и, соответственно, сократить время на изготовление единицы продукции с получением образцов, не требующих механической обработки.

h глава «Структурные исследования KAM абразивного назначения на основе СВМПЭ». Структурное совершенство полимерного композита формируется при сочетании оптимальных факторов структурообразования, а структурные особенности алмазосодержащего композита, такие как характер взаимодействия компонентов, степень кристалличности, тип и размеры надмолекулярных образований полимерной связки, характер локализации алмазных зерен в полимере, во многом определяют физико-механические и эксплуатационные свойства материала. Поэтому представлялось необходимым изучить структурную организацию разрабатываемых композитов, спеченных под давлением. С этой целью были проведены исследования KAM на основе СВМПЭ и ППА методами рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии и электронной микроскопии.

к СВМПЭ + 50 мае % алм зерн. 125/100 мкм Ж .. А_. _

U3 138 94 89 80 70 50 40 30 20 10

) СВМПЭ * 40 мас.% алм. зерн. 12S/1 00 мкм. Iii I

143 138 9Д 89 80 70 50 40 30 20 10

-А- СВМПЭ + 30 мас.% алм зерн. 125/100 мкм.

143 138 94 89 80 70 50 40 30 20 10

L СВМПЭ + 20 мас.% алм. зерн. 125/100 мкм.

143 138 94 89 80 70 50 40 30 20 10

А СВМПЭ + 10 мас.% алм. зерн. 125/100 мкм. j _ ^ J__А^

143 138 94 89 80 70 50 40 30 20 10

СВМПЭ чистый

Рис. 3 ИК-спектры поглощения образцов:

1. СВМПЭ;

2. СВМПЭ + 20 мас.% ППА, зерн. 125/100 мкм;

3. СВМПЭ + 30 мас.% ППА, зерн. 125/100 мкм;

4. СВМПЭ + 40 мас.% ППА, зерн. 125/100 мкм.

50 40 30 20 10

Рис. 2 Рентгенограммы СВМПЭ и KAM на его основе

Исследование процессов структурирования показало, что введение в СВМПЭ дисперсного алмазного наполнителя в любых количествах не влияет на вид характерных для этого связующего дифрактограмм и ИК-спектра. (рис. 2, 3).

В полученных ИК-спектрах полимера и алмазосодержащих материалов наблюдаются характеристические полосы поглощения метиленовых групп. Полос поглощения, характерных для метальных групп, на спектрах не наблюдается. Таким образом, спектр СВМПЭ можно идентифицировать как спектр поглощения линейной неразветвленной полиметиленовой цепи с очень высоким соотношением СН:>/СН3. Смещение полос полимера в KAM находится в пределах ошибки эксперимента, новых полос также не обнаружено. Следовательно, химическое взаимодействие между компонентами композита практически исключается и, таким образом, связь между СВМПЭ и алмазными частицами будет осуществляться посредством сил механического характера, то есть, охватом или защемлением алмазного зерна полимерным связующим.

Установлено, что степень кристалличности ненаполненного СВМПЭ низкая. Введение крупнозернистого алмазного наполнителя приводит к небольшому росту исследуемой характеристики, при наполнении алмазными порошками меньшей

зернистости наблюдается двукратное увеличение значения этой характеристики, что свидетельствует о повышении упорядоченности полимерных молекул.

Для подтверждения полученных результатов методом электронной микроскопии была исследована надмолекулярная структура алмазосодержащего композита. Видно, что зерна ППА локализованы в СВМПЭ и не связаны друг с другом, надмолекулярные образования полимера имеют вид разупорядоченных сферолитов фибриллярного характера (рис.4).

Рис. 4 Микрофотографии поверхности сколов: СВМПЭ (А); KAM на его основе состава: 40 мае. % ППА зернистостью 63/50 мкм (Б), и 125/100 мкм (В).

Выявлено, что рост сферолитных структур полимера начинается преимущественно на поверхности алмазных зерен, как правило, обладающих избытком поверхностной энергии. Упорядоченность структуры полимерного связующего можно качественно оценить, сравнивая формы поверхностей низкотемпературного скола композитов. Так, композиты, наполненные мелкозернистым наполнителем (Б) имеют хрупкий излом, что, возможно, является следствием более высокого значения степени кристалличности полимерного связующего.

Таблица 2

Средние линейные размеры сферолитных образований СВМПЭ в KAM, мкм

Концентрация ППА, мас.% 0 20 30 40

СВМПЭ + ППА зернистостью 125/100 мкм 300 150 80 60

СВМПЭ + ППА зернистостью 63/50 мкм 300 150 90 50

Установлено, что средние линейные размеры сферолитов уменьшаются при повышении концентрации вводимого алмазного наполнителя любой из использованных зернистостей (табл. 2). Уменьшение размеров надмолекулярных структур является следствием наличия в СВМПЭ большого числа центров структурообразования, которыми

являются мелкие кристаллические алмазные частицы. Таким образом, глубину процесса структурирования связующего можно регулировать, изменяя зернистость и концентрацию вводимых ППА. Отсутствие между СВМПЭ и ППА адгезионных связей химического типа и, как следствие, слабое алмазоудержание, компенсируется наличием равномерной структуры композита, отсутствием в нем пор и зазоров и преодолевается применением разработанной технологии и параметрами процесса его переработки.

В главе 5 «Исследование триботехнических и эксплуатационных характеристик алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ» для правильного выбора режимов обработки и основных характеристик разрабатываемого алмазного инструмента исследованы триботехнические и эксплуатационные свойства KAM и установлены причин, вызывающие повышенный расход алмазов и другие явления, негативно влияющие на протекание процесса шлифования.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств алмазных кругов необходимо исключить возможность нагрева рабочего слоя инструмента до температуры плавления композита. Методом радиометрииртановлено, что в условиях сухого трения за 2-3 минуты температура в зоне контакта инструмент- обрабатываемый материал достигает 120°С (рис. 5, а); такой уровень нагрева является катастрофическим: происходит практически полное разрушение абразивного инструмента. При работе инструмента в среде смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), в качестве которой использовалась вода, температура в зоне взаимодействия достигает 40°С, и дальнейшего ее подъема, а значит и последующей необратимой деформации, не наблюдается (рис. 5, б).

а) б)

Рис. 5 Температура в зонах контакта алмазного инструмента на основе СВМПЭ с обрабатываемым материалом (сталь): а) в режиме сухого трения; б) в среде СОЖ (вода)

Кроме того, прочностные характеристики (прочность при сжатии и модуль упругости) KAM на основе СВМПЭ при повышении температуры до 60 °С и выше снижаются в 4-6 раз, что является недопустимым при эксплуатации абразивного инструмента, т. к. это приводит к потере стойкости инструмента и его быстрому разрушению. Таким образом, алмазосодержащий инструмент на основе СВМПЭ работоспособен при температуре, не превышающей 40"С. Однако, уникальная химическая стойкость обоих компонентов композита позволяет для обеспечения и поддержания установленных температур эксплуатации применять в качестве, СОЖ как воду,

так н любые другие, в том числе агрессивные и маслосодержащие охлаждающие жидкости.

Таблица 3

Эксплуатационные характеристики алмазного инструмента на основе СВМПЭ при обработке различного тина сырья

Состав КАМ Стальное коитртсло Минеральное контртело F, нагрузка (Н)

А, мг/мнн Q, мг/г А, мг/мнн Q, мг/г

СВМПЭ+20мас.% ППА, 63/50мкм 3,2 0,016 32,3 0,006 100

3,7 0,014 18,4 0,003 150

3,0 0,008 40,5 0,021 200

СВМПЭ+20мас.% ППА, 125/ЮОмкм 1,4 0,036 69,8 0,002 100

2,7 0,011 35,7 0,001 150

3,5 0,022 44,6 0,032 200

СВМПЭ+30мас.% ППА, 63/50мкм 4,9 0,058 63,4 0,032 100

5,5 0,071 25,9 0,015 150

6,3 0,067 28,9 0,015 200

СВМПЭ+30мас.% ППА, 125/ЮОмкм 6Д 0,023 61,7 0,007 100

3,0 0,024 63,6 0,002 150

5,0 0,078 43,7 0,005 200

СВМПЭ+40мас.% ППА, 63/50мкм 2,8 0,016 39,4 0,002 100

2,5 0,010 37,9 0,002 150

3,0 0,015 57,9 0,028 200

С В М /7Э+40дгас. % ППА, 125/ЮОмкм 3,4 0,013 29,3 0,017 100

2,4 0,010 29,4 0,066 150

2,1 0,021 21,7 0,024 200

Для прогнозирования режущих свойств инструмента на основе СВМПЭ были определены производительность А и удельный расход алмазов Q в зависимости от концентрации и зернистости алмазного наполнителя, а также от силы прижима круга F при обработке стального и минерального контр-тел (табл. 3).

Видно, что при шлифовании минерала наиболее работоспособен инструмент, содержащий ППА зернистостью 125/100 мкм в количествах 20 и 30 мас.%. При обработке стали наиболее высокими показателями производительности и одновременно низкими значениями удельного расхода алмазов обладают образцы на основе СВМПЭ, содержащие 30 мас.% алмазного порошка зернистостью 125/100 мкм. В обоих случаях сила прижима инструмента не должна превышать 150 Н. Таким образом, установлено, что для обработки материалов с различными физико-механическими свойствами целесообразно использовать инструмент с зернистостью ППА 125/100 мкм и концентрацией 20.. .30 мас.%.

Исследование шероховатости поверхностей шлифуемых материалов (табл. 4) показало, что с точки зрения качества обработки поверхности более эффективен инструмент, содержащий ППА зернистостью 63/50 мкм. Его применение обеспечивает получение поверхностей 9-10-го класса чистоты при обработке как стальных, так и минеральных материалов, хотя и приводит к некоторому снижению показателей производительности. Применение KAM на основе СВМПЭ, содержащих ППА зернистостью 125/100 мкм,приводит к увеличению среднего арифметического отклонения профиля (Ra) практически в 2 раза, что соответствует 8-му классу чистоты поверхности, при повышенной производительности инструмента.

Таким образом, проведенные исследования показали, что для абразивного инструментального материала на основе СВМПЭ, как и для инструмента на органической основе в общем случае соблюдается закономерность: увеличение зернистости алмазного наполнителя обеспечивает повышенную производительность процесса обработки материалов, а применение меньшей зернистости обеспечивает получение поверхности с более высокими параметрами шероховатости. Следовательно, для обеспечения заданного качества изделий следует применять ППА различной зернистости, так как именно зернистость определяет производительность, экономичность и качество обработки поверхности, а также область применения инструментального материала: тонкое, чистовое точение и шлифование, нормальное, зеркальное хонннгование.

Таблица 4

Шероховатость обработанных поверхностей

| Материал Шероховатость обработанной поверхности (сталь), мкм Шероховатость обработанной поверхности (минерал), мкм

Исходная Конечная Исходная Конечная

СВМПЭ+20 мас.% ППА зерн. 63/50 мкм 1,25 0,45 1,52 0,30

СВМПЭ+30 мас.% ППА зерн. 63/50 мкм 1,25 0,40 1,52 0,27

СВМПЭ+40 мас.% I ППА зерн. 63/50 мкм 1,25 0,53 1,52 0,29

СВМПЭ+20 мас.% ППА зерн. 125/100 мкм 1,25 0,82 1,52 0,63

СВМПЭ+30 мас.% ППА зерн. 125/100 мкм 1,25 0,68 1,52 0,59

СВМПЭ+40 мас.% ППА зерн. 125/100 мкм 1,25 0,72 1,52 0,72

Одной из причин потери работоспособности инструментальных материалов на основе любых типов связующих, в том числе полимерных, при обработке стальных поверхностей является так называемое засаливание. Для количественной оценки процесса засаливания были проведены исследования, которые позволили установить зависимость величины засаливания Дт от продолжительности I работы инструмента (табл. 5).

Таблица 5

Зависимость засаливания н удельного расхода алмазов от продолжительности

испытания

Состав KAM t, мин Am, мг Q, мг/г

СВМПЭ + 30 мас.% ППА зернистости 125/100 мкм (сила прижима 150 Н) 2 1 0,1416

5 1 0,0210

10 2 0,0173

20 2 0,0041

30 2 0,0035

Выявлено, что показатель удельного расхода алмазов KAM снижается с ростом t, что служит дополнительным доказательством частичной потери режущих свойств инструмента (затупления) в результате засаливания. Видно, что несмотря на засаливание, производительность инструментов на основе СВМПЭ постепенно повышается и достигает максимальных значений (рис. 6). Таким образом, в начальный период шлифования инструмент на основе СВМПЭ имеет низкую режущую способность, однако с течением времени она возрастает, поскольку возникают условия для обновления его рабочей поверхности. С целью оптимизации процесса обработки инструмент на основе СВМПЭ рационально использовать при длительном шлифовании сталей.

Время, мин

Рис. 6 Зависимость производительности от времени обработки стального контртела (инструмент на основе КАМ состава: 30 мас.% ППА зери. 125/100 мкм)

/ ^ • t__i

P>15lH,fWCl> it'C

Разрушение штруиента

Рис. 7 Условия реализации механизма самозатачивания при износе алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ: 1 - инструмент; 2 -обрабатываемый материал

Полученные результаты дают возможность косвенно судить о состоянии режущей поверхности алмазного инструмента в процессе обработки. Так, износ инструментов на основе СВМПЭ будет существенно зависеть от условий и режимов обработки и может протекать либо с затуплением и засаливанием, либо с самозатачиванием (рис. 7).

СВМПЭ, как связка алмазного абразивного инструмента обладает способностью к вязко-упругой деформации, которая в процессе резания обеспечивает необходимые локальные перемещения рабочих зерен алмаза. Повышению пластичности связующего способствуют также тепловые поля, возникающие в зоне контакта инструмент -обрабатываемый материал в процессе шлифования. По мере совершения работы резания происходит естественное обновление рабочей поверхности инструмента за счет изнашивания и удаления из зоны контакта абразивных зерен и появления новых зерен из объема материала вследствие деформирования и разрушения связки. Таким образом, за счет наличия зон с различной прочностью в контактной и приконтактной зонах инструмента, связка будет выполнять две, казалось бы, взаимоисключающие функции: прочно удерживать абразивные зерна при контактных деформациях и способствовать обнажению новых алмазных зерен из-под поверхностных слоев материала по мере удаления отработанного абразива.

Совокупность всех происходящих процессов свидетельствует о том, что определенные в результате проведенных исследований оптимальные характеристики KAM, а также условия получения и эксплуатации алмазосодержащего инструмента на основе СВМПЭ, способствуют реализации принципа самозатачивания благодаря одновременному и равномерному истиранию алмазного порошка и материала связующего, в результате чего достигается высокая эффективность применения инструмента при обработке различных по своим свойствам материалов.

Таким образом, разработанный инструмент на основе нового термопластичного связующего - СВМПЭ, в сочетании с ППА, по сравнению с известными аналогами, обладает лучшими параметрами производительности, как с точки зрения

износостойкости, так и качества обработанных поверхностей. Опытно-промышленные испытания инструмента на основе СВМПЭ, проведенные в ОАО «Якутстройматериалы», подтвердили результаты лабораторных исследований.

ВЫВОДЫ

1. Впервые для переработки методом горячего прессования алмазосодержащих композиций на основе СВМПЭ разработаны технологический регламент и оснастка, а также определены значения его основных параметров: температура прессования 175-180°С, удельное давление прессования - 75 МПа, время смешения композиции 240 с.

2. Разработана технология переработки KAM на основе СВМПЭ, отличающаяся от стандартной более высоким давлением прессования, отсутствием стадии выдержки KAM в пресс-форме и обеспечивающая получение инструмента с высокой прочностью, однородной плотной структурой и высоким качеством; технология позволяет сократить продолжительность процесса переработки в 1,5-2 раза.

3. Установлено, что химические свойства индивидуальных компонентов в композиционном материале на основе СВМПЭ и ППА сохраняются, алмазоудержание обеспечивается механическим охватом абразивного зерна связующим. Отсутствие между СВМПЭ и ППА ■ . адгезионных связей химической природы, компенсируется формированием равномерной монолитной структуры композита и преодолевается применением разработанной технологии и параметрами процесса его переработки.

4. Показано, что надмолекулярные образования СВМПЭ в KAM имеют вид разупорядоченных сферолитов, рост которых начинается преимущественно с дефектных участков на поверхности алмазных частнц; увеличение концентрации н уменьшение зернистости ППА приводит к уменьшению размеров структурных элементов в 3,5 раза, изменению их формы от относительно оформленной до сферолитоподобной, а также к увеличению степени кристалличности полимерной матрицы от незначительного, при введении ППА зернистостью 125/100 мкм до двухкратного, при использовании алмазного порошка зернистостью 63/50 мкм.

5. Особенности кристаллической и надмолекулярной структуры связующего оказывают значительное влияние на параметры работоспособности инструмента: увеличение хрупкости композита, как за счет повышения степени кристалличности, так и уменьшения размеров сферолитных образований KAM, способствует реализации принципа самозатачивания при эксплуатации инструмента, т. к. обеспечивает постоянное обновление его режущей поверхности.

6. Высокие параметры производительности алмазного абразивного инструмента на операциях полирования достигаются применением KAM состава: СВМПЭ - 30 мас.% ППА зернистостью 63/50 мкм, а повышенной в 2-2,5 раза производительностью при шлифовании поверхностей различной природы

характеризуются образцы инструмента, содержащие 20 и 30 мас.% абразивного наполнителя зернистостью 125/100 мкм.

7. Установлены параметры процесса абразивной обработки инструментом на основе СВПМЭ н ППА, способствующие реализации принципа самозатачивания при шлифовании-полировании поверхностей различной природы: обработку необходимо осуществлять в среде СОЖ, с силой прижима не более 150 Н, а для снижения влияния фактора засаливания инструмент рационально использовать при длительном шлифовании сталей.

8. Разработанный материал и инструмент на его основе обладает высокой износостойкостью, в 2,8-4,2 раза большей, чем у известных аналогов, а также обеспечивает на 25 % повышение качества обработки поверхностей различной природы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Шнц Е. 10., Семенова Е. С., Охлопкова А. А. Влияние режимов переработки на свойства алмазосодержащего ПТФЭ // Трение и износ. - 2005. - № 4. - С. 416419.

2. Шиц Е. Ю., Соколова М. Д., Семенова Е. С. Особенности технологии производства абразивного инструмента на основе политетрафторэтилена // Материалы. Технологии. Инструменты. - 2006.- T.l 1, №1.- С. 97-100.

3. Е. 10. Шиц, А. А. Охлопкова, Е. С. Семенова Исследование триботехннческих и эксплуатационных характеристик алмазосодержащих материалов на основе СВМПЭ и ПТФЭ II Трение и износ. - 2008. - № 1. - С. 64-68.

4. Е. Y. Shitz, М. D. Sokolova, and Е. S. Semionova. Peculiarities of technology of abrasive instrument based on polytetrafluoroethelent // Proceeding of International Conference MCM - Riga, 2006. - P. 135.

5. Шиц E. IO., Семенова E. С. Исследование триботехннческих и эксплуатационных характеристик алмазосодержащего ПТФЭ (политетрафторэтилена) и СВМПЭ (сверхвысокомолекулярного полиэтилена) И Материалы Международного симпозиума «Славянтрибо-7» - г. Рыбинск, 2006. -Т. 2. - С. 235-239.

6. Е. С. Семенова, Е. Ю. Шиц, С. Г. Попова, Н. Н. Петрова. Абразивный инструмент на основе полимеров и технических алмазных порошков природного происхождения для обработки камнецветного сырья // Материалы I Международной конференции «Значение промышленных минералов в мировой экономике: Месторождения, технология, экономическая оценка»,- Москва, 2006.- С. 124-127.

7. Шиц Е. 10., Семенова Е. С. Алмазосодержащий композиционный материал абразивного назначения на основе СВМПЭ (сверхвысокомолекулярного полиэтилена) // Материалы XXXVIII международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» - г. Ялта, 2008. - С. 558-559.

8. Шиц Е. 10., Семенова Е. С. Композиционный алмазосодержащий материал абразивного назначения на основе СВМПЭ (сверхвысокомолекулярного полиэтилена) // Материалы Всероссийской конференции но макромолекулярной химии. - Улан-Удэ: Издательство Бурятского научного центра СО РАН, 2008. -С. 148-150.

9. Шиц Е. 10., Семенова Е. С. Исследование технологических режимов переработки алмазосодержащих композитов на основе ПТФЭ // Материалы респ. научно-практ. конф. «Химия: Образование, наука, технология». - Якутск, 2003.-Ч. 2.-С. 110-111.

10. Шиц Е. Ю., Семенова Е. С. Исследование эксплуатационных характеристик алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ (сверхвысокомолекуляриого полиэтилена), ПТФЭ (политетрафторэтилена) // Материалы III Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата «Eurastencold-2006». - Якутек, 2006. -часть III. С. 181-189 (per. № 0320601278).

11. Шиц Е. 10., Семенова Е. С. Композиционный материал абразивного назначения на основе СВМПЭ (сверхвысокомолекулярного полиэтилена) и ППА (порошков природных алмазов) // Материалы XI научно-практ. конф. «Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты». - Кемерово, 2008. - С. 285-286.

12. Патент РФ 2326136, Композиционный полимерный материал для абразивного инструмента / Шиц Е. IO., Охлопкова А. А., Семенова Е. С., Соколова М. Д., Гоголева О. В., Слепцова С. А., Портнягин А. С. - № 2006109302. Заявл. 23.03.06. Опубл. 10.06.08. Бюл. № 16. - 3 с.

Формат 60x84 '/i6- Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 7.

Издательство ЯИЦ СО РАН

677980, г. Якутск, ул. Петровского, 2, тел./факс: (411-2) 36-24-96 E-mail: fedorov@psb.ysh.ru

Введение.

Глава 1 Основные направления разработки абразивных алмазосодержащих материалов на полимерной связке.

1.1 Полимерные связующие материалы для алмазного абразивного инструмента.

1.2 Алмаз как основной абразивный материал.

1.3 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) — перспективное полимерное связующее алмазного абразивного инструмента.

Глава 2 Объекты и методы исследования.

2.1 Объекты исследования.

2.2 Определение физико-механических характеристик композиционных алмазосодержащих материалов (КАМ) на основе СВМПЭ.

2.2.1 Определение плотности КАМ на основе СВМПЭ.

2.2.2 Определение усадки КАМ на основе СВМПЭ.

2.2.3 Определение прочностных характеристик КАМ на основе СВМПЭ при сжатии.

2.3 Структурные исследования КАМ на основе СВМПЭ.

2.3.1 Исследование КАМ на основе СВМПЭ методом рентгеноструктурного анализа.

2.3.2 Исследование структуры КАМ на основе СВМПЭ методом ИК-спектроскопии.

2.3.3 Исследование надмолекулярной структуры КАМ на основе СВМПЭ методом электронной микроскопии.

2.4 Определение эксплуатационных характеристик алмазосодержащих материалов абразивного назначения на основе СВМПЭ.

2.4.1 Определение массового износа, производительности работы инструмента и удельного расхода алмазов.

2.4.2 Определение степени засаливания КАМ на основе СВМПЭ.

2.4.3 Определение степени насыщенности поверхности образцов алмазными частицами.

2.4.4 Определение шероховатости обработанных поверхностей

2.4.5 Определение температур в зоне контакта поверхностей трения: «КАМ на основе СВМПЭ — обрабатываемый материал».

2.5 Определение теплофизических характеристик КАМ на основе

СВМПЭ.

Глава 3 Разработка технологии получения и переработки КАМ на основе СВМПЭ.

3.1 Особенности переработки алмазосодержащих материалов на основе СВМПЭ.

3.2 Режимы горячего прессования КАМ на основе СВМПЭ.

3.3 Разработка пресс-формы для переработки КАМ на основе

СВМПЭ методом горячего прессования.

Выводы к главе 3.

Глава 4 Структурные исследования КАМ абразивного назначения на основе СВМПЭ.

4.1 Особенности взаимодействия в системе СВМПЭ — ППА.

4.2 Степень кристалличности СВМПЭ в КАМ на его основе.

4.3 Морфологические особенности СВМПЭ в присутствии ППА. 80 Выводы к главе 4.

Глава 5 Исследование триботехнических и эксплуатационных характеристик алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ.

5.1 Температурные параметры работоспособности алмазного инструмента на основе СВМПЭ.

5.2 Параметры работоспособности алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ.

5.3 Влияния процесса засаливания на параметры работоспособности алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ.

5.4 Особенности работы и износа алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ.

Выводы к главе 5.

Создание приборов, оборудования и машин нового поколения с высокими технико-экономическими характеристиками, отличающихся надежностью и долговечностью, тесно связано с разработкой современного высокопроизводительного и ресурсосберегающего обрабатывающего инструмента.

Инструментальные материалы на основе полимеров и полимерных композиционных материалов имеют весомое значение и играют прогрессивную роль в развитии многочисленных отраслей машиностроения, т. к. изделия из этих материалов имеют меньшую массу, работают практически бесшумно, обладают демпфирующей способностью, а также могут эффективно применяться в химически активных и инертных средах, в широком интервале нагрузок и скоростей скольжения. Кроме того, к несомненному достоинству абразиво-шлифовальных материалов на полимерной основе по сравнению с композициями на основе металлов, сплавов и керамики можно отнести возможность значительного снижения трудоемкости и энергоемкости их переработки в готовый к применению инструмент.

Однако, все преимущества абразивного шлифования в полной мере проявляются только при правильном выборе и достаточном ассортименте обрабатывающих материалов, которые должны обладать повышенными плотностью и твердостью, высокотемпературной прочностью, износостойкостью и работоспособностью. В РФ и за рубежом инструменты на органической основе разрабатываются, как правило, с использованием бакелитового и вулканитового связующих с добавлением в их основу синтетических шлифовальных материалов, чем, безусловно, значительно ограничиваются области и возможности применения инструмента на основе полимеров. Выявление нетрадиционных полимеров, перспективных для использования в качестве связующего, а также всестороннее исследование и создание на их основе композиционных алмазосодержащих материалов (КАМ), характеризуемых повышенной износостойкостью, в значительной мере будет способствовать созданию инструментов нового поколения с требуемыми техническими параметрами.

Цель работы: создание абразивных композиционных материалов на основе СВМПЭ (сверхвысокомолекулярного полиэтилена) и технических ППА (порошков природных алмазов) для эффективной реализации процессов шлифования и полирования поверхностей различной природы.

Задачи:

• разработка технологии получения алмазосодержащих материалов на основе СВМПЭ и их переработки в изделия инструментального назначения;

• исследование закономерностей влияния ППА на структуру и морфологические характеристики СВМПЭ и физико-механические свойства композиционных алмазосодержащих материалов (КАМ);

• исследование уровня работоспособности алмазного инструмента на основе СВМПЭ в зависимости от характеристик КАМ и технологических параметров процесса обработки;

• разработка оптимальных составов КАМ на основе СВМПЭ, обеспечивающих наиболее эффективную обработку различных материалов и высокие эксплуатационные параметры инструмента.

Научная новизна и значимость полученных результатов: Разработана технология горячего прессования КАМ, основанная на использовании более высоких давлений прессования и исключении стадии выдержки образцов в пресс-форме под давлением.

Установлена корреляция физико-механических, структурных и эксплуатационных характеристик абразивных материалов на основе СВМПЭ с количеством и зернистостью используемых ППА, варьирование которых позволяет существенно увеличить работоспособность инструмента.

Установлены параметры процессов абразивной обработки инструментом на основе СВПМЭ и ППА, реализующие принцип самозатачивания, как при шлифовании минерального сырья, так и сталей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций: обеспечена применением стандартных методик проведения экспериментов и современного оборудования. Исследование физико-механических характеристик КАМ на основе СВМПЭ производились в аккредитованной испытательной лаборатории «Проблем коррозии и старения ИПНГ СО РАН» (аттестат № РОСС RU. 0001.21КК14).

Практическая ценность работы: Впервые разработана технология получения и спекания под давлением композиций на основе СВМПЭ и ППА, использование которой позволяет формировать плотные макрооднородные материалы без зазоров и пор и, как следствие, получать инструменты с точными геометрическими параметрами и высокими эксплуатационными показателями. Установлены технологические режимы получения инструментов, позволяющие проводить процесс переработки КАМ в ускоренном режиме, что значительно сокращает энерго- и трудозатраты.

Впервые на основе СВМПЭ и ППА разработан композит инструментального назначения, предназначенный для шлифования-полирования как вязких и мягких, так и хрупких и твердых материалов.

Оригинальность разработки и практическая значимость полученных результатов подтверждены патентом РФ.

Положения, выносимые на защиту:

• полученные характеристики КАМ, технология переработки и эксплуатации алмазосодержащего инструмента на основе СВМПЭ, реализующие принцип самозатачивания;

• технологические параметры процесса переработки КАМ и оснастка, способствующие формированию высоконасыщенного абразивом рабочего рельефа алмазонесущего слоя с точными геометрическими размерами;

• особенности кристаллической и надмолекулярной структуры СВМПЭ в КАМ, обеспечивающие алмазоудержание и повышенную износостойкость инструмента.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на: III и IV Евразийских симпозиумах «Проблемы прочности материалов и машин для регионов холодного климата», г. Якутск, 2006-2008 гг.; Международной научно-технической конференции «Поликомтриб-2007», г. Гомель; IV Международном симпозиуме «Химия и химическое образование», г. Владивосток, 2007 г.; XXVIII Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», г. Ялта, 2008 г.; Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. С.-Пб., 2008 г.; XLVI международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», г. Новосибирск, 2008 г.; Всероссийской конференции по макромолекулярной химии, г. Улан-Удэ, 2008 г.; Научной конференции молодежи «Эрэл-2007», г. Якутск; конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Лаврентьевские чтения», г. Якутск, 2005- 2008 гг.

Публикации: Основные результаты исследований отражены в 24 научных работах, в том числе 3 статьях в научных журналах, 20 докладах и тезисов докладов научно-практических конференций, 1 патенте РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 133 наименований. Полный объем диссертации составляет 118 стр., включая 16 рисунков и 18 таблиц, 1 приложения.

Выводы к главе 5

1. Установлено, что эксплуатацию алмазосодержащего инструмента на основе СВМПЭ следует осуществлять при температуре не превышающей значений 40-60°С. Повышение температуры выше 60°С приводит к снижению прочностных характеристик инструмента вплоть до его частичного или полного разрушения. Учитывая уникальную химическую инертность компонентов композита в качестве СОЖ можно применять как воду, так и другие, в том числе агрессивные, маслосодержащие охлаждающие жидкости.

2. Показано, что наиболее высокими показателями работоспособности обладают образцы КАМ, содержащие в своей основе 20 и 30 мас.% ППА зернистостью 125/100 мкм; наиболее высокое качество обработки поверхности обебспечивается применением ППА, зернистостью 63/50 мкм.

3. Экспериментально установлено, что как при обработке стали, так и при обработке минерала алмазным абразивным инструментом на основе СВМПЭ сила прижима не должна превышать 150 Н, так как использование больших механических нагрузок приводит к многократному (в 3-15 раз) повышению удельного расхода алмазов.

4. Показано, что в начальный период шлифования сталей инструмент на основе СВМПЭ имеет низкую режущую способность, однако с течением времени она возрастает, поскольку возникают условия для обновления его рабочей поверхности. С целью оптимизации процесса обработки, инструмент на основе СВМПЭ рационально использовать при длительном шлифовании сталей.

5. Экспериментальные работы по оптимизации состава алмазосодержащего композита на основе СВМПЭ и условий его эксплуатации позволили установить характеристики инструмента и параметры его работы, обеспечивающие реализацию принципа самозатачивания при обработке поверхностей различной природы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые для переработки методом горячего прессования алмазосодержащих композиций на основе СВМПЭ разработаны технологический регламент и оснастка, а таюке определены значения его основных параметров: температура прессования 175-180°С, удельное давление прессования — 75 МПа, время смешения композиции 240 с.

2. Разработана технология переработки КАМ на основе СВМПЭ, отличающаяся от стандартной более высоким давлением прессования, отсутствием стадии выдержки КАМ в пресс-форме и обеспечивающая получение инструмента с высокой прочностью, однородной плотной структурой и высоким качеством; технология позволяет сократить продолжительность процесса переработки в 1,5-2 раза.

3. Установлено, что химические свойства индивидуальных компонентов в композиционном материале на основе СВМПЭ и ППА сохраняются, алмазоудержание обеспечивается механическим охватом абразивного зерна связующим. Отсутствие между СВМПЭ и ППА адгезионных связей химической природы, компенсируется формированием равномерной монолитной структуры композита и преодолевается применением разработанной технологии и параметрами процесса его переработки.

4. Показано, что надмолекулярные образования СВМПЭ в КАМ имеют вид разупорядоченных сферолитов, рост которых начинается преимущественно с дефектных участков на поверхности алмазных частиц; увеличение концентрации и уменьшение зернистости ШЛА приводит к уменьшению размеров структурных элементов в 3,5 раза, изменению их формы от относительно оформленной до сферолитоподобной, а также к увеличению степени кристалличности полимерной матрицы от незначительного, при введении ППА зернистостью 125/100 мкм до двукратного, при использовании алмазного порошка зернистостью 63/50 мкм.

5. Особенности кристаллической и надмолекулярной структуры связующего оказывают значительное влияние на параметры работоспособности инструмента: увеличение хрупкости композита, как за счет повышения степени кристалличности, так и уменьшения размеров сферолитных образований КАМ, способствует реализации принципа самозатачивания при эксплуатации инструмента, т. к. обеспечивает постоянное обновление его режущей поверхности.

6. Высокие параметры производительности алмазного абразивного инструмента на операциях полирования достигаются применением КАМ состава: СВМПЭ - 30 мас.% ППА зернистостью 63/50 мкм, а повышенной в 22,5 раза производительностью при шлифовании поверхностей различной природы характеризуются образцы инструмента, содержащие 20 и 30 мас.% абразивного наполнителя зернистостью 125/100 мкм.

7. Установлены параметры процесса абразивной обработки инструментом на основе СВПМЭ и ППА, способствующие реализации принципа самозатачивания при шлифовании-полировании поверхностей различной природы: обработку необходимо осуществлять в среде СОЖ, с силой прижима не более 150 Н, а для снижения влияния фактора засаливания инструмент рационально использовать при длительном шлифовании сталей.

8. Разработанный материал и инструмент на его основе обладает высокой износостойкостью, в 2,8-4,2 раза большей, чем у известных аналогов, а также обеспечивает на 25 % повышение качества обработки поверхностей различной природы.

1. Ефанова В. В. Исследование и разработка композиционного алмаз-полимерного материала для шлифования титановых сплавов / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киев, 1981. - 223 с.

2. Семко М. Ф., Грабченко А. Н., Узунян М. Д. Влияние связки на работу алмазных кругов. -М.: Машиностроение, 1965, № 5, С. 24-26.

3. Бокучава Г. В. Трибология процесса шлифования. Тбилиси: Изд-во «Сабчота Сакартвело», 1984. — 238 с.

4. Грабченко А. И. Расширение технологических возможностей алмазного шлифования. X.: Вища шк. Изд-во при Харьк. Ун-те, 1985. 184 с.

5. Еланова Т. О. Финишная обработка изделий алмазными шлифовальными инструментами / Аналитический обзор ВНИИТЭМР. М., 1991.-51 с.

6. Шиц Е. Ю. Исследование и разработка полимерных композиционных материалов с использованием природных алмазных порошков / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Якутск, 2000. - 168 с.

7. С. А. Горчакова, В. А. Килин, В. В. Тарасов Обработка резанием. — Владивосток: Изд-во Морского государственного университета им. адм. Г.И Невельского, 2006. — 88 с.

8. Основы алмазного шлифования / Под ред. Силко М. Ф. Киев: Наукова думка, 1978. - 250 с.

9. Абразивные материалы и инструменты / Каталог НИИМаш. Под ред. Рыбакова В. А. -М., 1981. 359 с.

10. Алмазные инструменты / Под ред. Петросяна А. К. Москва: Машиностроение, 1962 г. - 98 с.

11. Хрульков В. А., Головань А. Я., Федотов А. И. Алмазные инструменты в прецизионном приборостроении. -М.: Машиностроение, 1977. -С. 41-63.

12. Шульман В. П. Алмазный инструмент на полимерной связке для обработки ферритовых сердечников магнитных головок // Алмазосодержащие материалы и инструмент. Сб. научн. трудов. Киев, 1989. - С. 97-100.

13. Получение, свойства и применение порошков алмаза и кубического нитрида бора / В. Б. Шипило, Е. В. Звонарев, А. М. Кузей и др.; Под ред. П. А. Витязя. Мн.: Бел. Навука, 2003. - 335 с.

14. Н. П. Згонник Термическая обработка абразивных материалов и инструментов и перспективы их развития и внедрения // Современные технологии производства и применения абразивных материалов и инструментов. — Л., 1981. — С. 65-69.

15. Бочаров А. М., Климович А. Ф. и др. Изнашивание монокристаллов алмаза. — Минск: Беларусская навука, 1996. С. 142.

16. В. Т. Чалый Направленное регулирование структуры и свойств фенолформальдегидной связки алмазных кругов термообработкой // Алмазосодержащие материалы и их применение. Сб. научн. трудов. Киев: ИСМ АН УССР, 1985. - 144 с.

17. Семко М. Ф., Узунян М. Д. Износостойкость алмазных кругов на органических связках / Станки и инструмент. 1966. - № 4. — С. 37-39.

18. А.С. 536953 (СССР) Прерывистый абразивный круг / В. Г. Чалый, Г. А. Гороховский, В. В. Ефанова и др. Опубл. в Б.И., 1976. - № 44.

19. А.С. 3400525 (СССР) Масса для изготовления абразивного инструмента / А. П. Кашуба, Б. Т. Горшков, К. В. Владыченский, И. Я. Жабин, Г. А. Калина и др. Опубл. в Б.И., 1972. № 18.

20. Патент Великобритания (GB) № 2 136 011 МКИ3 С08 J 5/14, НКИ C4V, ELR 678.632:678.046 Шлифовальный круг, содержащий кубический нитрид бора. Опубл. 12.09.84. № 4986.

21. А.С. 1537495, СССР, МКИ5, В 24Д 3/22, 3/28. Масса для изготовления абразивного инструмента / Шкляев Ю. В., Желобов Н. Г., Бегишев В. П., Сутормин К. JI. Заявл. 26.11.87. Опубл. 23.01.90.

22. Любомудров В. Н, Васильев Н. Н., Фальковский Б. И. Абразивные инструменты и их изготовление. M.-JL: Машгиз, 1953. - 376 с.

23. Кноп А., Шейб В. Фенольные смолы и материалы на их основе. — М.: Химия, 1983.-280 с.

24. Ван Кревелен Д. В. Свойства и химическое строение полимеров. — М.: Химия, 1976.-416 с.

25. Кузнецов Е. В., Дивгун С. М., Бударина JL А. и др. Практикум по химии и физике полимеров. — М.: Химия, 1977. — 256 с.

26. Новиков В. У. Полимерные материалы для строительства. М.: Высшая школа, 1995. - 448 с.

27. Рыбаков В. А. Абразивная промышленность в девятой пятилетке // НИИМаш. Сб. трудов «Абразивы». М., 1974. - С. 1-3.

28. Лупинович Л. М., Мамин X. А. Опыт применения абразивных материалов в абразивной промышленности. — М.: Наука, 1986. — С. 14-46.

29. Патент 119109 ПНР МКИ В «№ Д 65/00/ Huly Szkla 214617, заявл. 02.04.79., опубл. 10.06.83.

30. Ящерин П., Зайцев А. Повышение качества шлифовальных поверхностей и режущих свойств абразивного алмазного инструмента. — Минск, 1972.-57 с.

31. А.С. 593907 СССР, МКИ3,В 24Д 3/34. Связка для изготовления абразивного инструмента / Галицкий В. Н., Муромский В. А., Лищинский С. И. № 2368468/25/08. Заявл. 22.04.76. Опубл. 02.12.78.

32. Патент 136011, Великобритания, МКИ3, С08 j 5/14, Шлифовальный круг, содержащий кубический нитрид бора. Опубл. 09.12.84. № 4985.

33. А.С. 878560 СССР, МКИ3, В 24Д 17/00. Способ получения абразивного волокна / Кириченко И. В., Винникова Н. Ф. Заявл. 05.04.76. Опубл. 17.11.81.

34. Буйко П. В. Скоростная бакелизация абразивных инструментов // Абразивы, 1951. №2. - С. 26-29.

35. Крыльников Ю. В., Эфрос М. Г., Маркушевич В. А., Иванов В. Н., Ефремов Л. К., Дробков П. И. Ускоренная бакелизация отрезных дисков // Абразивы, 1980 г.-№ 11.-С.8-10.

36. Патент США № 4035161 МКИ C08J5/14 НКИ 51-296 УДК. 678.067(088.8) Шлифовальный круг и втулка и способ их изготовления. Опубл. 12.07.77.-Том 960.-№2.

37. А.С. 975374, СССР, МКИ3, В 24Д 3/28. Масса для изготовления абразивного инструмента / Бальшин М. С., Неймарк Г. И., Сейфазин Э. А. Заявл. 15.01.81. Опубл. 23.11.82.

38. А.С. 952934, СССР, МКИ3, В 24Д 3/28. Абразивная масса / Кислый П. С., Дзядыкевич Ю. В., Кальба Е. Н. Заявл. 09.01.80. Опубл. 23.08.82.

39. Штурман А. А. Холоднотвердеющие акриловые пластмассы в инструментальном производстве. -М.: Машиностроение, 1964. 187 с.

40. М. Ф. Семко, М. Д. Узунян, Ю. А. Сизый, М. С. Пивоваров Работоспособность алмазных кругов. Киев: Техшка, 1983. - 95 с.

41. А.С. 1219618 СССР Масса для абразивного инструмента / Багайсков Ю. С., Раппопорт Л. Я., Генина Г. С., Петров Г. Н., Троянская И. И. Опубл. 23.03.86.-Бюл№ 37.

42. А.С. 755537 СССР. МКИ B24D 3/28. Масса для изготовления абразивного инструмента / Багайсков Ю. С., Г. С. Генина Г. С. Опубл. 15.08.80. Бюл. №30.

43. Е. Ю. Шиц, А. А. Охлопкова, Е. С. Семенова Исследование триботехнических и эксплуатационных характеристик алмазосодержащих материалов на основе СВМПЭ и ПТФЭ // Трение и износ. — Гомель, Беларусь: ИММС НАЛЕ, 2008. Том 29. - № 1. - С. 64-68.

44. Алмазный инструмент: отраслевой каталог / ВНИИалмаз. М.: ВНИИТЭМР, 1989. - 143 с.

45. Семко М. Ф., Баскаков И. Г., Дрожжин В. И., Качерц В. А. Механическая обработка пластмасс. — М.: Машиностроение, 1965. — 205 с.

46. Семко М. Ф. Алмазная обработка. Харьков: Прапор, 1965. - 135 с.

47. Семко М. Ф. и др. Эльборовое шлифование быстрорежущих сталей. -Харьков: Вищашкола, 1974. 136 с.

48. ГОСТ 9206-85 Порошки алмазные. Технические условия (СТ СЭВ 682-77, СТ СЭВ 2172-80). Издание официальное. Государственный комитет СССР по стандартам, Москва.

49. Никитин Ю. И. Технология изготовления и контроль качества алмазных порошков. — Киев: Наукова думка, 1984. 206 с.

50. Киффер Р., Шварцкопф П. Твердые сплавы. М.: Металлургиздат, 1957 г.-664 с.

51. Ардамацкий A. JI. Алмазная обработка оптических деталей. JL: Машиностроение. - 1978. - 232 с.

52. Епифанова В. И., Песина А. Я., Зыков JI. В. Технология обработки алмазов в бриллианты. -М., 1971. 180 с.

53. Абразивная и алмазная обработка материалов / Справочник под ред. А. Н. Резникова. -М.: Машиностроение, 1977. 391 с.

54. Природные алмазы России / Научно-справ. Изд Под ред В. Б Кваскова. -М.: Полярон, 1997. 304 с.

55. Лоладзе Т. Н., Бокучава Г. В., Давыдова Г. Е. Измерение твердости алмаза при высоких температурах. Заводская лаборатория. — 1967. №8. - С. 1005-1008.

56. Лоладзе Т. Н., Бокучава Г. В. Износ алмазов и алмазных кругов. -М.: Машиностроение, 1967. 112 с.

57. Лоладзе Т. Н., Бокучава Г. В. Режущие свойства алмазно-абразивного инструмента и пути повышения качества // Синтетические алмазы в промышленности: Тез. докл. междунар. конф. по применению алмазов в промышленности. — Киев, 1974.— С. 149-155.

58. Григорьев Д. П., Шафрановский И. И. Новые опыты по растворению алмаза // Записки Всесоюзного минералогического общества. 1942. - ч. LXXL - № 1-2.

59. Шафрановский И. И. Алмазы. М.: Изд-во АН СССР, 1953.- 153 с.

60. Гомон Г. О. Алмазы. М.: Машиностроение, 1966. - 148 с.

61. Васильев Л. А., Белых 3. П. Алмазы, их свойства и применение — М.: Недра, 1983.-101 с.

62. Кащук В. А., Верещагин А. Б. Справочник шлифовщика. М.: Машиностроение, 1988. -477 с.

63. Калина Ю. П. Абразивные материалы. Рига: Типография РПИ, 1989.-55 с.

64. Попов С. А., Малевский Н. А. Терещенко А. М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. — М.: Машиностроение, 1977. 263 с.

65. Охлопкова А. А., Адрианова О. А., Попов С. Н. Модификация полимеров ультрадисперсными наполнителями. — Якутск: ЯФ Издательства СО РАН, 2003.-224 с.

66. СВМПЭ новый популярный и прочный полимер // Юаду Гидзюцу, 1982.-V. 21, № 1.-Р. 45-53.

67. Охлопкова А. А., Виноградов А. В., Пинчук JI. С. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями // Оригинал-макет. Гомель, 1999. 164 с.

68. Андреев И. Н., Веселовская Е. В., Наливайко Е. И., Печенкин А. Д., Бухгалтер В. И., Поляков А. В. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. JL: Химия, 1982. - 80 с.

69. Абрамова И. М., Бунина JI. О. Структура и свойства композиции на основе полиэтиленов, наполненных коалином. // Пластические массы, 1987. -№6.

70. Адрианова О. А., Постол Е. А. Морозостойкие и износостойкие материалы на основе СВМПЭ для техники Севера // Неметаллические материалы и изделия в условиях Севера. — Якутск: ЯФ издательства СО РАН, 1993.-С. 56-61.

71. Кафаров В. В., Дорохов И. Н., Арутюнов С. Ю. Современные проблемы создания новых технологий переработки композиционных материалов // ЖВХО им. Д. И. Менделеева. М., 1990. - Т. 35 - № 6 - С. 733734.

72. Адрианова О. А. Влияние ультрадисперсных наполнителей на свойства СВМПЭ // Сборник трудов Межд. научно-техн. конф. "Полимерные композиты 1998".-Гомель, 1998.-С. 192-195.

73. Варфоломеев М. Н., Бухгалтер В. И., Белова Р. И. и др. Влияние среды на свойства СВМПЭ при его переработке спеканием // Пластические массы, 1987. № 11. - С. 27-30.

74. Белова Р. И., Бельшина А. И. Оценка тепловых свойств СВМПЭ при переработке методом спекания // Пластические массы, 1986. № 6. — С. 19-20.

75. ТУ 6-05-1896-80 Полиэтилен высокомолекулярный низкого давления и композиции на его основе (Взамен ТУ 6-05-05-50-76).

76. Шиц Е. Ю., Семенова Е. С. Разработка и исследование алмазных абразивных материалов на основе СВМПЭ и порошков природных алмазов // Поликомтриб-2007: тезисы докладов международной научно-технической конференции. Гомель: ИММС НАНБ, 2007. - С. 91.

77. ГОСТ 15139-69 Пластмассы. Метод определения плотности (СТ СЭВ 891-69). Издание официальное. Государственный комитет СССР по стандартам, Москва.

78. Машков Ю. К., Овчар 3. Н., Байбарацкая М. Ю., Мамаев О. А. Полимерные композиционные материалы в триботехнике. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. — 262 с.

79. Физические свойства алмазов / Справочник. Киев: Наукова думка, 1988- 188 с.

80. ГОСТ 18616-80 Пластмассы. Метод определения усадки (СТ СЭВ 890-78). Издание официальное. Государственный комитет СССР по стандартам, Москва.

81. ГОСТ 4651-82 Пластмассы. Метод испытания на сжатие (СТ СЭВ 2896-81). ИПК Изд-во стандартов, Москва.

82. ГОСТ 12423-66 Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (СТ СЭВ 885-78).

83. ГОСТ 4651-82 Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе (СТ СЭВ 2345-80). Издание официальное. Государственный комитет СССР по стандартам, Москва.

84. Гиллер Я. Л. Таблица межплоскостных расстояний. Т 2. М.: Недра, 1966.-360 с.

85. Липсон Г., Стипл Г. Интерпретация порошковых рентгенограмм. — М.: Мир, 1972.-384 с.

86. Мартынов М. А., Вылегжанина К. А. Рентгенография полимеров. -Л.: Изд-во "Химия", 1972. 96 с.

87. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров / Пер. с англ.- М.: Мир, 1983. Ч. 2.-384 с.

88. И. Дехант Инфракрасная спектроскопия полимеров. М.: «Химия», 1976.-472 с.

89. Способы подготовки проб для исследования методом ИК Фурье спектроскопии. ПККН МЗ РФ / Методические рекомендации от 14.03.1997 № 1/55-97. Внесен 27.08.2002. Утвержден 14.03.1997.

90. ИК-спектры поглощения полимеров и вспомогательных веществ. Под ред. Чулановского. М.: 1969. - 356 с.

91. Polymer Data Handbook / Edited by J.E. Mark. Oxford University Press, 1999.-P. 493-495.

92. Аверко-Антонович И.Ю. Методы исследования структуры и свойств полимеров. — М., 2002. — 605 с.

93. В. JI. Миронов Основы сканирующей зондовой микроскопии. -Нижний Новгород: РАН, Институт физики микроструктур, 2004. 110 с.

94. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: «Металлургия», 1970. - 272 с.

95. Баландин Р. К. Энциклопедия драгоценных камней и минералов. -М.: Вече, 2000.-400 с.

96. ГОСТ СССР 16181-82 (СТ СЭВ 2998-81) Круги алмазные шлифовальные. Введен взамен ГОСТ СССР 16181-70.

97. Б. Н. Бехтерева, Г. Н. Саламатина Применение абразивных тел на полимерной связке / УралВНИИАШ, 1989. 20 с.

98. Попов С. А., Малевский Н. А., Терещенко А. М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. — М.: Машиностроение, 1977.-263 с.

99. Чалый В. Т., Орап А. А Механохимические принципы создания суперфинишного полимерного композита на основе алмазов и тугоплавкихсоединений. Киев: Институт сверхтвердых материалов АН УССР, 1979. - С. 71-82.

100. ГОСТ 21445-84 (СТ СЭВ 4403-83) Материалы и инструменты абразивные. Обработка абразивная. Термины и определения. Издание официальное. Издательство стандартов, Москва.

101. Винокуров Г. Г. Ларионов В. П. Статистические характеристики локальной плотности газотермических покрытий // Физика и химия обработки материалов. 1999. - № 2. - С. 43-45.

102. В. П. Ларионов, С. П. Яковлева, С. Н. Махарова, Г. Г. Винокуров, М. И. Васильева. Разработка научных основ технологии получения алмазометаллических композитов взрывным прессованием. — Химическая технология, 2002. № 1. - С. 28-32.

103. ГОСТ 27964-88. Измерение параметров шероховатости. Термины и определения. — М.: ИПК Издательство стандартов.

104. ГОСТ 19300-86. Профилографы-профилометры контактные. Типы и основные параметры. М.: ИПК Издательство стандартов.

105. Техническая документация к прибору DSC 204 Phoenix.

106. Бойко Б. Н. Прикладная микрокалориметрия: отечеств, приборы и методы / Б. Н. Бойко, отв. ред. Е. А. Пермяков.; Ин-т биол. приборостроения с опытным производством РАН. М.: Наука, 2006. - 119 с.

107. Рекомендации по применению фторопластовых композитов для уплотнительных устройств. — Якутск: Изд. ЯФ СС АН СССР. 1988. - 56 с.

108. Бейлина JI. В., Кошелев А. Г. и др. Высокопроизводительные алмазные хонинговальные бруски // Сб. ст. «Полимерабразивные технологические материалы и инструменты в металлообработке». — Киев: Наукова думка. 1981. - С. 17-20.

109. Е. Ю. Шиц, М. Д. Соколова, Е. С. Семенова Особенности технологии производства абразивного инструмента на основе политетрафторэтилена // Материалы. Технологии. Инструменты. Т. 11. — 2006-№1.-С. 97-100.

110. И. П. Захаренко Алмазные инструменты и процессы обработки. -Киев: «Техшка», 1980. -215 с.

111. Демин Е. Н. Справочник по пресс-формам. Л.: Лениниздат, 1967. — 368 с.

112. Е. В. Лебедев, Ю. С. Липатов, Л. И. Безрук Оценка морфологии полимерных материалов // Новые методы исследования полимеров. Киев: Издательство «Наукова думка», 1975. - С. 3-17.

113. Физико-химические свойства и структура полимеров / Отв. редактор Липатов Ю.С. Киев: Изд-во «Наукова думка», 1977.

114. Мишнаевский Л.Л., Федосеев О.Б. О механизме износа зерен шлифовальных кругов // Синтетические алмазы. 1979, № 1, С. 34-38.

115. Синтетические алмазы в машиностроении / Под ред. В. Н. Бакуля. — 1976.-352 с.

116. Оробинский В.М. Абразивные методы обработки их оптимизация / Монография. — 2-е издание, доп. и перераб. — М.: Машиностроение, 2000. — 314 с.

117. Мышкин Н.К., Петроковец М. И. Трибология. Принципы и приложения. Гомель: ИММС НАНБ, 2002. - 310 с.

118. Захаренко И. П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента. — Киев: «Наукова думка», 1981. 130 с.

119. Щерба В. Я. Особенности контактного взаимодействия и изнашивания абразивсодержащих композитов на основе реактопластов и полимеркерамики / Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. — Гомель, 1997. — 19 с.