автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обеспечение повышенного качества высокопористых абразивных кругов при их изготовлении

На правах рукописи УДК 621.922 00 ! 24'б8! 3 067(043 3)

МАКАРОВ ОЛЕГ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА ВЫСОКОПОРИСТЫХ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ.

Специальность 05.03.0!. - Процессы механической и физико-технической обработки,

станки и инструмент

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Московском Государственном Технологическом Университете

"СТАНКИН"

Научный руководитель - Заслуженный Деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.К. Старков

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор В.В. Журавлев

кандидат технических наук В.К. Ермолаев

Ведущее предприятие - ОАО "Московский абразивный завод"

Защита диссертации состоится "29 "о^тЛрЛ,1998 г., в часов на заседании Диссертационного Совета К 063.42.05. при Московском Государственном Технологическом Университете "СТАНКИН", по адресу. 101472, ГСП. Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН".

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан " "^^^^1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета к. т. н., доцент

Ю.П. Поляков

Общая характеристика работы.

Актуальность н-уы При изготовлении ответственных деталей машиностроения с высоким качеством обработанной поверхности, на заключите.тьных лапах их формообразования наибольшее раепрос! ранение получили процессы абразивной обработки.

В последнее время существенным преимуществом абразивной обработки стхи возможность совмещать в одном процессе черновые и чистовые операции, исключая при этом такие высокопроизводительные меюды лезвийной обработки, как фрезерование и протягивание. Например, глубинное шлифование позволяет повысить производительность обработки в 10-20 раз и исключить применение дорогостоящих лезвийных инсфуменюв из шердых сплавов на основе вольфрама, кобальта, молибдена, тантала и других дефицитных элементов.

Эффективность методов абразивной обработки в значительной степени определяется эксплуатационными возможностями применяемого абразивного Инструмента.

В настоящее время наблюдаются следящие тенденции в современном машиностроительном производстве: повышение скоростей резания при шлифовании до 80-120 м/с, исключение смазочно-охлаждающих средств из операции обработки абразивным инструментом и др. В связи с этим, одним из направлений развития абразивного инструмента является совершенствование наиболее перспективных вмсокопорисгах шлифовальных кругов. Перепьетиьность данного класса инструмента опреледьегся прежде всего снижением тепловой и динамической напряженности процесса резания, что позволяет .'¡курсировать режимы резания при сохранении точности и качества обработки и др

Извсешые 1ехнологии изготовления высокопористых кругов, основанные на применении выгорающих органических и неорганических порсобразователсй, экологически небезопасны, при высокотемпературном спекании абразивного инструмента выделяются видные химические в1>|бросы (двуокись азога. окись углерода, фенолы, формальдегиды, эпихлоргилрин. сера и др.). Уровень экспл)2тационных свойств получаемого инстр\'мента достаточно низок вследствие нестабильности его физико-механических характеристик по объему, повышенной неуравновешенности масс (дисбаланса), низкой рабочей скорости.

Технология изготовления высоконорисгого абразивного инструмента закрытой структуры, использующая нсвыгорающпе порообразователи, экологически безопасна и обеспечивает более высокое качество изготовления инструмента.

Опыт промышленного применения абразивного инструмента, показал, что технология изготовления существующих абразивных шлифовальных кругов как нормальной, так и повышенной пористости не всегда гарантирует высокое качество инструмента (получение инструмента класса АЛ. 1 класса неуравновешенности и др ).

Поэтому, обеспечение повышенною качества высокопористых абразивных кругов, в гам числе кругов с закрытой структурой, как наиболее прогрессивного и перспективною инструмента, при их изготовлении, является актуальным.

Данная работа выполнена в соответствии с планом Международно! о научно-технического проекта "Разработка высокопористого абразивного инструмента повышенной производительности и экологически чистой технологии его изготовления" совместно с Техническим университетом г. Кемниц (ФРГ) и Научно -технической программой "Абразив-2000", которая выполняется совместно с рядом немецких и австрийских фирм и институтов.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является обеспечение повышенного качества высоко пористых кругов за счет подбора оптимального состава абразивной массы и технологии их изготовления.

Методика исследования. Основные положения и выводы работы обобщены с иозиции теории абразивного инструмента и обработки, достоверность полученных результатов подтверждается лабораторными и производственными испытаниями, практикой внедрения в промышленность.

Комплекс экспериментальных исследований проводился в лабораторных и производственных условиях с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры.

Статистическая обработка, полученных результатов исследований, проводилась с использованием IBM PC с помощью специальных программ и методов корреляционного и регрессионного анализов.

Научная новизна работы заключается в:

•предложенной системе показателей конкурентоспособности и качества абразивного инструмента, в том числе высокопористого, включающей как стандартные (твердость, неуравновешенность масс (дисбаланс), точность геометрических размеров и формы круга и др.), так и дополнительные показатели (стабильность твердости в объеме круга, допустимая деформация при спекании, рабочая скорость круга при эксплуатации);

•раскрытых закономерностях и разработанных математических зависимостях связи деформации инструмента при спекании с объемом удаляемого при механообработке абразивного материала и фактической структурой (пористостью) высокопористого круга;

•выявленных закономерностях и разработанных математических моделях взаимосвязи состава инструмента и его характеристик с параметрами качества высокопористых кругов, а также характеристик качества высокопористых кругов с показателями эффективности шлифования, в том числе, без применения смазочно-охлаждающих сред.

Практическая ценность работы заключается в:

•разработанных рецептурных составах высокопористых шлифовальных кругов закрытой структуры с повышенными показателями качества;

•рекомендациях по обеспечению повышенного качества высокопористых абразивных кругов при их изготовлении;

•изготовлении, производственных испытаниях и внедрении высокопористого абразивного инструмента закрытой структуры с повышенными показателями качества, в том числе для шлифования без применения смазочно-охлаждающих сред при скоростях резания 60 - 80 м/с.

Реализация работы. Разработанные рецептуры и технология изготовления высокопористого инструмента повышенного качества внедрены на ЗАО "Экоабразив". Новые высокопористые круги прошли испытания в лабораторных условиях Института металлорежущих станков и прессового оборудования "Фраунховер" (ФРГ, г. Кемниц), в производственных условиях АО "Москвич" и ММПО "Салют".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были

изложены на международных научно-1ехпических конференциях "Прогрессивные методы- проектирования технологических процессов, станков и инструментов" г. Тула (26-28 мая 1997 i.) и "Процессы абразивной обработки. абразивные инструменты и магеркьлы" г. Волжский (14 - 16 октября 1997 г.). а ее результаты в ниде образцов инструмента демонстрировались на выставках в Швейцарии (сентябрь-октябрь 1997 г ) и на Международной промышленной ярмарке s ФРГ - "1 анновер-98" (19 - 25 апреля 1998 г.).

Публикации 11о теме диссертации опубликованы четыре печатные работы

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы '447 наименований/ и приложений. Она изложена на (51 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 28 таблиц.

Содержание работы.

В введении обосновывается актуальность темы, дается ее общая характеристика, показана ее направленность и научная новизна.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса, приведен литературный обзор о существующих показателях качества абразивного инструмента. Приведен

анализ высокопористых кругов закрытой структуры как новое направление повышения качества абразивных кругов и эффективности их применения, сформулированы цель и основные задачи исследования

Для удовлетворения разнообразных требований машиностроительных предприятий абразивные инструменты изготавливают различных форм и размеров по ГОСТ 2424-83. Г ОС Г 2447-82 и др. Широкое применение получили абразивные круги прямого профиля (тип 1), с двусторонним коническим профилем (тип 4). с коническим профилем (тип 3), с выточкой (тип 5), с двусторонней яьпочкой (тип 7). чашечные цилиндрические (inn 6). чашечные конические (тип 11). тарельчатые (тип 12 и 14) и др. Все абразивные круги должны изготавливаться в соответствии с требованиями соответствующих стандартов по рабочим чертежам, утвержденным в установленном порядке. ГОСТ 2424-83 предусматривает выпуск абразивных инструментов классов точности А. Б и ДА, причем класс АА соответствует повышенным техническим требованиям на ряд параметров (например, неуравновешенность масс только по 1 классу).

Согласно ГОСТ 2424-83 качество шлифовальных кругов характеризуется следующими основными показателями: соответствие заданной характеристики фактической, геометрическая точность форм и размеров, неуравновешенность масс

(дисбаланс) и др При этом твердость должна соответствовать заданной, разброс значении допускается и пределах одной степени, механическая прочность должна обеспечить работу кругов с рабочими скоростями, указанными в стандарте (до 80 м'с для типа 1).

Экспериментальные исследования и производственный опыт применении показывает, что высокопористые шлифовальные круги открытой структуры являются эффективным средстзом повышения производительности и качества обработки деталей из различных конструкционных материалов. Но, помимо указанных выше преимуществ высокопористых шлифовальных кругов открытой структуры, необходимо отметить, что данный тип инструмента обладает следующими

недостатками: низкой технологичностью изготовления, высокой степенью дисбаланса, низкими прочностными свойствами, значительной нестабильностью твердости и других свойств как в объеме одного круга, так и в партии инструментов, невозможностью изготовления кругов больших степеней твердости, то есть, твердостью выше, чем СМ2 - С2 и др.

Исследования, выполненные в МГТУ "Станкин", показали, что новый класс абразивного инструмента - высокопористые шлифовальные круги закрытой структуры - отличается более высоким качеством изготовления в сравнении с абразивными кругами, изготовленными по традиционной технологии.

При этом высокопористые круги закрытой структуры обеспечивают повышенную производительность обработки, обладают широким спектром технологических свойств, одновременно сочетают в себе пористость до 80 % объема и степень твердости в широком диапазоне. Сочетание повышенной пористости абразивного инструмента и высокой твердости дает возможность увеличивать производительность процессов шлифования до появления на обработанной поверхности детали прижогов и других дефектов при одновременном снижении расхода абразива. Пониженная интенсивность теплообразования новым инструментом в сравнении с известными аналогами дает возможность, при необходимости, исключить применение смазочно-охлаждающих сред.

Однако качество изготовления высокопористых кругов закрытой структуры не всегда можно обеспечить по ряду показателей (точность формы и геометрических размеров круга и др.) для получения инструмента класса точности АА и с 1 классом неуравновешенности.

Как показывает практика, стандартных показателей качества абразивного инструмента недостаточно, чтобы судить о конкурентоспособности абразивного инструмента в целом и высокопористых шлифовальных кругов в частности.

Во второй главе проведен анализ технологии изготовления высокопористых кругов закрытой структуры и представлены рекомендуемые дополнительные характеристики качества абразивных кругов как критерии их конкурентоспособности.

Технологический процесс изготовления шлифовальных кругов, в том числе высокопористого абразивного инструмента закрытой структуры, включает следующие основные операции: подготовка исходных материалов, получение абразивной массы путем смешивания исходных материалов, формование абразивных кругов, термическая обработка (обжиг, сушка,), механическая обработка, контроль, маркировка и упаковка.

В качестве порообразующих наполнителей для изготовления высокопористых кругов закрытой структуры наиболее часто используют корундовые и стеклянные микросферы, а также для получения наряду с закрытой структурой и открытой структуры - фруктовые косточки и др.

Практика промышленного изготовления абразивных кругов и особенно высокопористых показывает, что, безусловно, на качество инструмента оказывает влияние технология изготовления и используемое при этом оборудование. Анализ технологии изготовления существующих абразивных кругов как нормальной, так и повышенной пористости показал, что при этом не всегда обеспечивается высокое качество инструмента.

В неменьшей степени на качество как одного инструмента, так и партии инструментов, оказывает состав высокопористой абразивной массы, оптимизация которой и обеспечение ее однородности позволяют управлять показателями качества.

В условиях рынка при наличии в большом количестве однотипной продукции,

качество изготовления ко юрой не всегда "является- критерием целесообразности ее -приобретения и использования. правильней было бы говорить о конкурент оспособност и продукции, включая абразивный инструмент. что подразумевает не только станларгные показатели качестпа и стоимость; но также такие свойства, которые определяют его повышенную эффективность в эксплуатации

Опыт промышленного применения абразивного инструмента и особенно высокопористого, как наиболее прогрессивного и перспективного инструмента, показал, чю для оценки конкурентоспособности абразивных кр>тон и настоящее время стандартных критериев качества недостаточно. Предлагается дополните ¡ь ко оценивать конкурентоспособность и соответственно качество абразивных кругов по таким дополнительным показателям как лабильность твердости в объеме инструмента, деформация (усадка) крути при его спекании н разрывная прочность как показатель предельной рабочей скорости.

Выбор стабильности твердости, как критерия конкурентоспособности и качества абразивных кругов, обусловлен тем, что она влияет на его интенсивность и стабильность изнашивания, качество обработки (шероховатость поверхности, вероятность появления прижогов, трещин и т.д.) и др.

Оценка стабильности твердости может проводиться по различным характеристикам. Например, по величине среднеквадратичного отклонения, коэффициенту вариации и др. Автор оценивал стабильность твердости по величине среднеквадратичного отклонения (о) значений твердости

Величина относительной деформации при спекании вмсокопористых крутой может изменяться в диапазоне от 0,5 до 2.1 "« Повышенные значения де(|юрмации круга при спекании МО! уг привести в результате к не обеспечению заданной точности формы и геометрических размеров высокопприсгпго круга, трещинам, сколам и др.

Важным параметром конкурентоспособное!и инструмента является его рабочая скорость при эксплуатации, гак как увеличение скорости резания по зволяет уве ;нчить производительность и качество обработки, перераспределить тепловые потоки в зоне обработки с уменьшением нагрева обрабатываемой детали, уменьшить износ инструмента и т. д Поэтому, при прочих равных условиях, инструмент, работающий при более высоких скоростях резания, будет предпочтительней инструмента, работающего с более низкими скоростями. Особенно это актуально для высокопорнсгых шлифовальных крчгов. учитывая, '.то существующие технологии иуотоцдеиия високопористих кругов с открытой структурой, обеспечивают лить обработку при скорости резания до 35-50 м/с.

В различных странах принят различный запас прочности по разрывной скорости. В России, согласно требованиям безопасности, разрывная скорость (Vp) связана с

рабочей скоростью (Vpa6) следующим соотношением: Vp S l,5Vpa6 По другим стандартам данная зависимость имеет свой вид. 'Гак согласно германскому стандарту DSA разрывная скорость должна удовлетворять следующим неравенствам: для открытой зоны шлифования Vp> %3 Vpaó, для закрытой зоны шлифования Vp > vi,75 Vpaó. Следовательно, величина рабочей скорости крута различна для одной и той же величины разрывной скорости в разных странах. Поэтому в проведенных автором исследованиях использовался показатель разрывной скорости поскольку ее величина определяется испытаниями на разрыв и не зависит от действующего в стране стандарта.

При соблюдении требований технологического процесса изготовления шлифовальных кругов, основным направлением обеспечения и повышения качества и

конкурентоспособности высокопористых кругов является правильный выбор типа, химического состава, размеров порообразователя, а также определение оптимального содержания компонент абразивной массы.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по влиянию компонент шлифовального круга, в том числе различных невыгорающих порообразователей в виде микросфер, на стабильность твердости, деформацию при спекании шлифовальных кругов на керамической связке, что создает объективные предпосылки для обеспечения повышенного качества высокопористых кругов и повышения их конкурентоспособности.

В третьей глапе изложены условия и методика проведения экспериментальных исследований взаимосвязи состава инструмента и его характеристик с показателями качества высокопористых кругов - стабильностью его твердости, деформацией круга при спекании, дисбалансом и разрывной скоростью, а также представлены результаты исследований связи деформации высокопористого круга при спекании с объемом удаляемого при механообработке абразивного материала и фактической структурой (пористостью) абразивного инструмента.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На первом этапе исследовалось влияние состава и его характеристик высокопористых абразивных кругов на показатели их качества. Было сделано статистическое обобщение экспериментальных данных, полученных при изготовлении шлифовальных кругов закрытой структуры прямого профиля более 60 различных типоразмеров в диапазоне от 1 80x16x20 до 1 500x80x203. В исследуемых высокопористых кругах в качестве абразивного материала использовался электрокорунд марок 24А, 25А. Зернистость абразивного материала изменялась в диапазоне 120...400 мкм, что соответствует номерам зернистости 12...40. При изготовлении высокопористых кругов использовалась керамическая связка марки К5, так как эта марка наиболее распространена на отечественных заводах для изготовления высокопористого абразивного инструмента. Номер структуры кругов - 5..24 (соответственно содержание абразивного зерна в объеме круга составляло 52...20 %). Индекс твердости высокопористых кругов изменялся в диапазоне ВМ1...С1. Неуравновешенность масс (дисбаланс) инструмента изменялся в диапазоне 3 ... 40 г (1-2 класс неуравновешенности). Величина разрывной скорости высокопористых кругов -79...132,5 м/с.

Исследования, проведенные на первом этапе, показали, что при изготовлении партии инструмента одной характеристики, качество высокопористых абразивных кругов закрытой структуры внутри данной партии инструмента существенно отличается друг от друга. Поэтому целью второго зггапа исследований являлось исследование показателей качества высокопористых кругов закрытой структуры при постоянном составе инструмента.

Для этого на фирме "Carborundum Electrite" (Чехия) была специально изготовлена партия высокопористых кругов закрытой структуры прямого профиля типоразмеров 500*25;32;40*203 и характеристики 25А12ПВМ212К (99BA100G12V). Высокопористые круги изготавливались из элекгрокорунда марки 25А с размером абразивного зерна 120 мкм (номер зернистости 12). После статистической обработки полученных данных для трех типоразмеров кругов и приведения их к одному статистическому ряду с количеством наблюдений 44 диапазон изменения твердости по величине звукового индекса составил 1,54... 1,65, что соответствует индексу твердости ВМ2. Величина дисбаланса - 3...34 г (1-3 класс дисбаланса). Объемная деформация высокопористых кругов в партии инструмента изменялась от 4,0 % до 5,2 %.

Де;|юрмация (усадка) при сискании высокопористых кругов является одним из - основных показателей его качества, так как существенно влияет на искажение формы и

точность геометрических размеров инструмента. обьеч удаляемого при механообработке абразивного материала, обеспечение заданной пористости (номера структуры) Кр'ТП.

Во время операции обжига абразивного инструмента в его объеме происходят сложные физико-химические процессы, которые связаны с изменением структурно-фазового состава и агрегатного состояния вещества связки и друтих компонент крут а. что приводит к дефтрмации (усадки) абразивного инструмента, то есть к изменении) ею геометрических размеров. В то же время :ia поьерхносги крута образуется оплавленный слой, обусловленный технологией его изготовления. Поэтому в настоящее время на предприятиях но изготовлению абразивных кругов окончательные размеры крутой и их точность oôîciieumiaioi путем введения в icmioaoi ичсскиК процесс изготовления инструмента операции механической обработки.

Таким образом, припуск, назначаемый на механическую обработку кругов, зависит от деформации абразивного инструмента при спекании и величины оплавленного слоя. С увеличением величины деформации абразивного инструмента при спекании соответственно увеличивается и назначаемый на механообработку припуск. Чем больше величина снимаемого с круга припуска, тем соответственно больше экономические потери вследствие дополнительных затрат на абразивный материал, порообразователи, связку и т. д. Особо эти потери заметны при изготовлении шлифовальных кругов больших диаметров. Например, при изготовлении высокопорисюто круга прямого профицит типоразмера 500*40*203 объем удаляемого при механообработки припуска составляет 400. .600 см' в зависимости от деформации при спекании При стоимости 1 см'абразивного круга 0.5 1.20 рублей (в зависимости от состава крута) потери в абразивных материалов при механообработки составят 200 ..720 руб на один крут

H результате статистической обработки данных, для кругов различных типоразмеров, одной характеристики и состава, изтоювленных по одному технологическому процессу, получены математические модели связи наибольшей и наименьшей относительной деформации по наружному диаметру и величины наружного диаметра высокопористого шлифовального круга:

LnED™=4,804-1.089LnDKp (1)

L:)ED"6--4.271-0.855Lnl/Kp (2)

Характеристики адекватности математических моделей по критерию коэффициента множественной корреляции, остаточной дисперсии и F-отношению соответственно для (1) и (2) составляют величины: 0,603 и 0,582, 0,636 и 0,66, 8,57 и 7,665. На рис. 1 показаны графики, отражающие полученные математические модели.

Такяге получены обобщенные' математические модели связи деформации по наружному диаметру с объемной де^юрмацией крута при спекания:

F.V"5-2.521'3.502ED"6 (3)

EV""-0.65713.582ED™ (4)

Характеристики адекватности математических моделей по критерию коэффициента множественной корреляции, остаточной дисперсии и F-отношению соответственно для (3) и (4) составляют величины: 0,805 и 0,851, 0,754 и 0,601, 8,57 и 10,12. Графическое представление полученных моделей показано на рис. 2.

Установлено, что экономически целесообразная величина деформации круга при минимальных затратах на формирование профиля инструмента должна быть по наружному диаметру не более 1% (рис. 1) и, соответственно, деформация по объему

ЕО,

%

500

Икр, мм

Рис. 1. Взаимосвязь наружного диаметра круга с его деформацией при спекании по наружному диаметру.

-»-ЕЕ>нб, % -»-ЕЕ)нм, %

шлифовального крута не более 4,2 % (рис. 2) независимо от номера структуры.

В отечественном стандарте пористость инструмента определяется через номер структуры: чем выше номер структуры, тем больше в круге объем пор. Принято считать, что высокопористыс крути - это инструмент с номерами структур 10...12 и более. Очевидно, что чем больше деформация круга, тем меньше объем порового пространства в инструменте после спекания. Расчеты показывают, что уменьшение номера структуры (Ист) зависит как от деформации инструмента при спекании, так и от исходного номера структуры абразивной массы:

, -31) (5),

где: £, - объемная деформация абразивного круга при спекании.

На рис. 3 показано как влияет деформация при спекании высокопористого круга на изменение номера структуры, где, в качестве примера, приведены исходные номера структур 12, 16 и 20 (соответственно объемное содержание абразивного зерна 38%, 30% и 22%).

Очевидно, что возможное колебание пористости допускается в пределах одного номера структуры. Так как номер структуры может только уменьшиться вследствие влияния деформации круга, то, например, для номера структуры 12 возможное колебание может составлять диапазон от номера 11 (не включительно) и до номера 12 (включительно), при этом возможное колебание содержания абразивного зерна в круге - 0,38+0,01.

Тогда, в соответствии с формулой (5) предельно допустимая деформация инструмента при спекании определяется соотношением:

пи / ^

31 - Nст (6)

Установлено, что для обеспечения заданной пористости инструмента допустимая объемная деформация круга согласно формуле (6) возможна в диапазоне 4,76...9,09 % для номеров структур 10...20 соответственно.

Статистическим обобщением экспериментальных данных установлено, что деформация высокопористых кругов при их спекании независимо от состава

------Ку. 10.5"

0,1 0,5 0,9 1.3 1,7 2,1

ЕЦ %

Рис. 2. Взаимосвязь деформации по наружному диаметру круга с его объемной деформацией.

-*— ЕУНМ, % ЕУН6, %

0 5 10 15 20

¡•л, %

Рис. 3. Влияние деформации при спекании круга на его номер структуры.

Уз=38% Уз- 30% -*- Уз=22%

абразивной массы в партии инструмента подчиняется нормальному закону распределения. Это подтверждает, что стабильность технологического процесса изготовления высокопористого круга и, как следствие, стабильность его деформации при спекании, обусловлена случайными факторами.

В четвертой главе исследована взаимосвязь состава инструмента и его характеристик с параметрами качества высокопористых кругов.

Основные результаты корреляционного анализа по выявлению степени влияния различных характеристик высокопористых абразивных кругов закрытой структуры на показатели их качества и конкурентоспособности как при изготовлении кругов различного состава, так и при изготовлении партии кругов одного состава, сводятся к следующему.

Деформация .(усадка) круга при спекании. Деформация инструмента при спекании оценивается по изменению наружного и внутреннего диаметра круга, его высоты, а также по изменению объема. Анализ показал, что для практических целей достаточно полную оценку деформации высокопористого абразивного инструмента можно получить по относительному изменению объема и наружного диаметра шлифовального круга.

По величине коэффициента парной корреляции степень влияния исследованных характеристик высокопористого инструмента на объемную деформацию круга при спекании уменьшается в следующей последовательности:

суммарное содержание абразивного зерна

и корундовых микросфер -0,881;

содержание связки 0,842;

содержание стеклянных микросфер 0,798;

изменение плотности круга 0,787;

плотность круга до спекания -0,729;

содержание фруктовых косточек 0,512.

Сильное влияние на величину деформации круга оказывает суммарное содержание абразивного зерна и корундовых микросфер. Это объясняется тем, что именно суммарное объемное содержание этих компонентов и определяет насколько прочным будет "каркас" высокопористого круга, способный удерживать свои форму и размеры при всех изменениях происходящих в круге при спекании. Высокопористые круги имеют не большую усадку при оптимальном коэффициенте заполнения объема круга абразивным зерном и корундовыми микросферами. Суммарная объемная доля зерна и микросфер (Уз+Умс) зависит от содержания керамической связки и находится в пределах 0,55-0,7. При увеличении номера структуры и, соответственно, уменьшении относительного содержания абразивного зерна в объеме крута, необходимо повышать относительное содержание корундовых микросфер, так чтобы их сумма сохранялась постоянной.

Таким образом, основная роль корундовых микросфер заключается в формировании однородного каркаса из абразивных зерен и корундовых микросфер, устойчивого к деформации при высокотемпературном спекании.

Поскольку в последнее время наметилась тенденция отказа от использования фруктовых косточек в качестве порообразователя из-за нестабильности их физических свойств и химического состава, не обеспечения заданного качества кругов, изготовленных на их основе, то использование корундовых микросфер является перспективным направлением для создания высокопористых абразивных кругов повышенного качества.

В процессе обжига абразивных кругов происходит выгорание части абразивной

массы крута. Количество выгоревшей абразивной массы характеризует величина

- изменения плотности (разность между плотностью сырна и инструмента)-Выгорание---------

компонент приводит к изменению геометрической (¡юрмы и размеров кругов и. следовательно, к деформации кругов С увеличением выгорания абразивной массы высокопористого кр\та. увеличивается его деформация при спекании Таким образом, применение невыгоракицих порообразотшелей может существенно повысить качество изготовления высокопористых кругов.

Наиболее значимые математические модели связи состава инструмента и его характеристик высокопористых кругов с их показателями качества в виде полиномов 1-й степени, разработанные с помощью специальных программ регрессионного анализа, приведены в табл.1, где также представлены статистические характеристики адекватности моделей опытным данным. Оценка моделей проводилась но величине коэффициента множественной корреляции (КМК). остаточной дисперсии (ОД) и Р-отношению. Математические модели, отмеченные звездочкой (*) получены для высокопористых кругов, изготовленных при постоянном составе.

Стабильность твердости круга. По величине коэффициента парной корреляции степень влияния исследованных характеристик высокопористого инструмента на стабильность его твердости уменьшается в следующей последовательности:

содержание корундовых микросфер -0,850

содержание абразивного зерна 0,737

объемная деформация круга при спекании 0,719

содержание стеклянных микросфер -0.620

размер абразивного зерна -0.5(Ю

содержание связки 0.570

содержание фруктовых кос то чек 0.420

Высокая степень влияния содержания кор>ндовых микросфер, объясняется тем, что в отличие от зерна, увеличение содержания которого ведет к повышению степени неоднородности строения крута, способствуют более равномерному распределению всех составляющих компонентов в круге, повышая однородность строения крута благодаря своей правильной сферической <)х1рме. По лому, содержание корундовых микросфер является мощным фактором, позволяющим увеличить стабильность твердости высокопористого круга.

При постоянном составе высокопористой абразивной массы на стабильность твердости инструмента в наибольшей степени оказывает влияннс стабильность плотности крута после спекания (0,980в наименьшей - плотность крута после спекания (0,870) и деформация круга по наружному диаметру (0,767).

Практика промышленного изготовления абразивных кругов и особенно высокопористых показывает, что, безусловно, на стабильность твердости оказывает влияние технология изготовления и используемое при этом оборудование, что подтверждается достаточно сильным влиянием стабилшоети плотности крута после спекания, характеризующая равномерность и однородность распределения компонент в объеме круга В неченыией степени на стабильность твердости оказывает состав высокопористой абразивной массы, оптимизация которой и обеспечение се однородности позволяют управлять стабильностью твердости.

С целью проверю! возможности изготовления высокопористых кругов закрытой структуры с номерами структур выше 20, в производственных условиях ОАО "Московский абразивный завод" были изготовлены впервые в отечественной практике четыре экспериментальных высокопористых абразивных круга с номером структуры 24 (содержание абразивного зерна 14 %) прямого профиля типоразмера 1 200*20*32 и

характеристики 25А12СМ124К5.

Проведенные исследования показали, что глубина лунки у данных кругов составляла величину от 5,3 мм до 5,9 мм, что соответствует стабильности твердости по величине среднеквадратичного отклонения 0,07...0.09 мм. Таким образом полученная твердость кругов соответствует заданной, при этом ее разброс в объеме кругов достаточно мал.

Объемная деформация при спекании у изготовленных кругов изменялась в диапазоне 9,8% - 13,8%. Согласно формуле (6) для обеспечения заданной пористости инструметгта (номера структуры 24) допустимая объемная деформация крута составляет величину не более 14,2 %. Следовательно, у всех изготовленных кругов номер структуры (по величине деформации при спекании) соответствует заданной.

Экспериментальный . образец высокопористого круга характеристики 25А12СМ124К5 типоразмера 1 200*20*32 демонстрировался на Международной промышленной ярмарке в ФРГ - "Ганновер-98" (19-25 апреля 1998 г.).

Неуравновешенность масс (дисбаланс) крута. По величине коэффициента парной корреляции степень влияния исследованных характеристик высокопористого инструмента на дисбаланс круга установлена в виде следующего ряда (по убыванию):

содержание связки 0,854

твердость круга -0,849

фактическая пористость круга 0,751

стабильность твердости круга 0,711

объемная деформация круга при спекании -0,654

содержание фруктовых косточек 0,356

Содержание керамической связки влияет на дисбаланс в большей степени, чем фруктовых косточек. Фруктовые косточки в процессе термообработки выгорают и оставляют после себя открытые поры, поэтому их влияние на дисбаланс незначительно.

С увеличением фактической пористости (при использовании в качестве порообразователя фруктовых косточек и корундовых микросфер) дисбаланс увеличивается, так как при этом увеличивается число неравномерно распределенных по объему открытых пор.

Очевидно, что все факторы, которые влияют на равномерность распределения составляющих компонент в объеме высокопористого круга, способствуют уменьшению дисбаланса. К таким факторам можно отнести содержать невыгорающих порообразователей - корундовых и стеклянных микросфер, правильная сферическая форма которых способствует обеспечению наилучших условий при смешивании формовочной массы. Каркас из абразивных зерен и оптимального количества микросфер равномерно окружается остальными компонентами, исключается образование комков в формовочной массе. Абразивная масса обладает лучшей сыпучестью, более однородна, перед формованием она равномерно укладывается в пресс-форме, что способствует уменьшению дисбаланса.

По степени влияния на дисбаланс крута в партии инструмента (по величине коэффициента парной корреляции) исследованные параметры распределяются в следующей последовательности: стабильность твердости крута (0,978), плотность круга после спекания (-0,915), объемная деформация круга при спекании (-0,778), твердость круга (-0,680), величина изменения плотности круга (0,672), деформация крута при спекании по наружному диаметру (-0,513),

Влияние плотности крута после спекания на его дисбаланс существеннее, чем величины изменения плотности. Величина изменения плотности характеризует

Таблица ¡.

Ма темагнческие моде.-и связи состава ипс!р\ ч<ен I а и его характеристик с параметрами качес 1 на

в ы с о;; о 11 о р и с I ы \ к руго в.

Л» | Модель связи Характеристики адекватности модели

КМК Остаточная дисперсия Р-огношсиис

1 !е\'-6,243-5,65(\'з -Умс)-Н>. 112\кф- 2.528 Уев < 6.87Уст 0,9 0,3 _________6,2_______ 2x871_____ 41943

2 ;1х1-У-б.015-22,1оЬпр1М.75Нлр* 0,823 0.342

3 ¡оЕУ=2,56+39орЮ20ор* 0,999 0,001

4 ю'и =0,291-0,904Л)+0,53 8 \;з -0,578 Уме-1.2 86\-'ст 0,94 0.24 5,88

5 ¡а!ш»1,116-9,768\'мс-0,452\'кф • 1.071 Уев 0,76 0,55 3,10

6 !о1ьт=0,462-0,085Е.,+0,431Но 0,781 0,203 16,170 __ 19,278

7 аЬл*=0,036-0,01 1:^+0,2341;!, 0,804 0,3 ¡4

8 ! ст1тл*=-12,15+7,3 69р2 0,87 0,04 75,75

9 ¡1л1п11Л*=-13,493-1.007Ьар2 0,98 0,01 ¡99729

10 ! ЬпО=-2,523+0,33 71лУ„фт 2,914Ьп \„ 0,959 0,107 17,019

11 ¡Э=-45,489+1.097\У 0,751 Г 0,904 0.987

12 ! О -8,234+6,396аЬ;1 +7,351Гу 0,675 0.622 2.928 28,065

13 р-192,733+25 Л 06НЛ+31,644аЬ, 0,966 0,083

14 :П*=45,192-5,13бН\. -0,578 0,924 3.202

15 ! 0*= 19,77+4,796р:-2б.772р* 0,791 1.013 0.240

16 Ь* -1696,277-122,564о1ъ-96 !,003 Гч-1016.719р? 0,999 0.001 127,027

17 |ур 63,349-0,794УМ>+2,126\'С0 0,885 0,271 7.242 ....... 4.96К

18 V/ 65,094+2,994Уис 0,791 0,377

19 ¡Ур~б0,894+3,5ПЕ\+29,958Е„ 0,775 0,532 2,256 9,139

20 % 46,855-1,057\УФ 0,804 0,353

количество выгоревшей абразивной массы при спекании, поэтому и ее влияние меньше. Выгорание компонент происходит неравномерно по объему крута вследствие неравномерности их распределения. Поэтому, все факторы, которые обеспечивают однородность распределения компонент в объеме круга, способствуют уменьшению дисбаланса. К таким факторам можно отнести время смешивания компонент, способ укладки абразивной массы в пресс-форме, относительное содержание корундовых микросфер в круге и др.

Установлено, что плотность высокопористого круга закрытой структуры до спекания и величина изменения плотности сильно коррелированы с его плотностью после спекания независимо от состава абразивной массы (коэффициенты парной корреляции 0,661 и -0,837 соответственно). Математическая модель, отражающая полученную зависимость, имеет следующий вид:

р2 = 1,173+0,026р1-0,312р* (7)

Характеристики адекватности модели (7) составляют: КМК 0,89, ОД 0,12 и И-отношение 15,963.

Анализ результатов исследований показывает, что плотность круга как до спекания, так и после, а также величина изменения плотности оказывают существенное влияние на характеристики качества и конкурентоспособности высокопористых абразивных кругов закрытой структуры. Поэтому, используя полученные математические модели связи плотности круга как до спекания, так и после, а также величины изменения плотности можно еще на этапе проектирования высокопористых кругов оценить характеристики их качества и конкурентоспособности, а также использовать их для неразрушающего контроля уже изготовленного инструмента.

Разрывная .скорость круга По степени влияния на разрывную скорость исследованные параметры распределяются в следующей последовательности:

дисбаланс круга -0,804

содержание фруктовых косточек -0,793

содержание корундовых микросфер 0,791

фактическая пористость круга -0,757

объемная деформация круга при спекании 0,739

твердость круга -0,622

содержание связки 0,621

стабильность твердости круга 0,140

Наиболее сильное влияние на разрывную скорость круга оказывает дисбаланс. Это очевидно, так как у круга с большим дисбалансом величина центробежных сил и напряжений в круге при испытании, которые приводят к разрушению круга при превышении предела прочности на разрыв, будет соответственно большей.

Из компоне1гт состава круга наибольшее влияние на его разрывную скорость оказывает содержание фруктовых косточек. Сильное влияние содержания фруктовых косточек в круге на разрывную скорость объясняется тем, что при их выгорании образуются поры различных размеров и формы, при этом происходит некоторое разупрачнение абразивного круга.

Известно, что одним из способов повышения разрывной скорости кругов и, следовательно, их конкурентоспособности, является изготовление инструмента со вставкой, повышающей прочность центра крута.

На фирме ЯарроИ \Vinterthur (Австрия) были изготовлены опытные образцы высокопористых абразивных кругов закрытой структуры прямого профиля типоразмера 1 500*80*203 и двух характеристик: 25А16ПСМ218К (ЕК.90Ш8К) и

25А16ПМЗт2К (ЕК90Н12К). Крути каждой характеристики изготавливались двух типов".'цёльиые и сс вставкой равной 1 '3 наружного диаметра и с нулевой структурой абразивной массы. В качестве порообразователя использовались для характеристики -25А16ПСМ218К (ЕКлХЮ18К) корундовые и стеклянные мнкросферы. а для характеристики 25А16ПМ312К (ЕК90Н12К) дополнительно использовался нафталин.

Как показали испытания на разрыв, цельные высокопористые крути твердостью СМ2 разорвались ка скорости 121,6 м/с, а твердостью МЗ - 118 м/с. Разрывная скорость высокопорисшх кругов со вставкой составила для твердости СМ2 - 132.5 м/с. а для МЗ - 128.6 м/с

Таким образом, экспериментально установлено, что вставка увеличивает величину разрывной скорости на 9 %.

Были т'тоточлены опылите высисогторнстые шлифовальные тсрхтн прямого профиля типоразмер 1 80,16ч'20 с характеристикой 25А16Г1СМ112К5 у которых за счет оптимального состава абразивной массы величина разрывной скорости составила 214,2 м/с, то есть раГючая скорость по стандарту России составляет 142,8 м/с.

В пятой главе описаны испьпания и внедрение высокопористых абразивных кругов закрытой структуры повышенного качества, а также даны рекомендации по обеспечению их повышенного качества при их изготовлении.

В 1996 - 97 г.г. в Институте металлорежущих станков и прессового оборудования "Фряунховер" (ФРГ, г. Хемниц) проводились сравнительные испытания высокопористых кр'.тов при сухом шлифовании образцов 0190 мм из стали СТ45 (твердость ИКС 60).

Испытания проводились на крут.тогилчфовальном станке с 41 ГУ модели 8А6/2 -СМС 1000 КОНВЕК без применения смазочно-охлаждг.югцей жидкости

Шлифование проводилось методом врезания с удалением с заготовки в одном эксперименте 100 им3 металла. Температура измерялась на детали стационарным пирометром в 3-х точках одновременно с усреднением данных и выдачей среднею значения на дисплей управления станком В процессе сухого шлифования измерялась удельная мощность и температура детали

Испытывались высокопористые круги прямого профиля трех характеристик: 25А16ПСМ218К (ЕК90М18К) 1 500*80*203 - обозначение С6, 25А16ПСМ218К (ЕК90018К) 1 600*80*203 - обозначение 02. 25А16ПМ312К (ЕК90Н12К) 1 600*80*203

- обозначение 02А

Три указанных крут а изготовлены из электрокорунда белого с размером зерна 160 мкм, при этом крути С6 и 02 - 18 структуры на основе невыгорающих порообразователей, а круг 02А - 12 структуры на основе невыгорающих порообразователей и нафталина. Наиболее высокие показатели качества и конкурентоспособности имел крут 02 (стабильность твердости 0,08, что в 1,9 раза меньше, чем у крута 02А, дисбаланс 28 т (меньше в 1,25 раза по сравнению с крутом 02А), относительна!! объемная деформация крута при спекании 1,1%, что в 1,27 раза меньше, чем у крута 02А)

Исследования по сухому шлифованию проводились в диапазоне скоростей резания от 35 до 80 м/с. Однако основной объем исследований выполнен при скоростях 35-60 м/с. Причем для круга 02 испытания были проведены для скоростей резания 35, 60 и 80 м/с, а для кругов С6 и 02А для 35 и 60 м/с, но методом экстрополяции получены для них данные и для скорости шлифования 80 м/с.

Сравнение указанных кругов по величине удельной мощности шлифования и температуры детали при шлифовании при различных скоростях абразивного крута

показывает, что лучшие результаты показал круг 02, изготовленный на основе невыгорающих порообразователей, по составу аналогичный кругу Сб. Однако различия в результатах объясняется более высокой твердостью круга С6 в сравнении с кругом 02. При сухом шлифовании кругом 02 обеспечивается уменьшение удельной мощности шлифования до 15 %, температуры детали до 35 %, при этом температура детали не превышает 140 °С на рабочей скорости 80 м/с.

Испытания новых высокопористых кругов закрытой структуры повышенного качества показали, что разработанные высокопористые круги дают возможность реализовать процесс безприжогового сухого шлифования закаленных сталей с минутным съемом материала до 20 мм3/с-мм.

Производственные испытания на АО "Москвич" проводились в два этана.

На первом этапе испытуемыми кругами типоразмера 1 135x19,5x52 с характеристикой 25А25ПСМ112К5 в количестве 2-х штук было обработано 1116 дорожек (186 деталей). Количество прижогов при шлифовании кругами характеристики 25А25ПСМ112К5 составило менее 2 %, появление прижогов имело не закономерный характер. Токовая нагрузка при шлифовании составила величину до 5А. При работе кругами действующего производства с характеристикой 25А16ПСМ110К5 количество прижогов на момент проведения испытаний находилось в пределах до 5 %. Токовая нагрузка составляла величину до 6,5 А.

Но, как было установлено, качество испытанных высокопористых кругов не удовлетворяет требованиям производства по геометрическим размерам. Поэтому на втором этапе исследований и производственных испытаний выявлялся состав круга, обеспечивающий заданное качество инструмента при сохранении достигнутых результатов. Были изготовлены высокопористые крути повышенного качества, удовлетворяющие требованиям производства. При испытании высокопористых кругов повышенного качества прижоги при шлифовании не наблюдались, токовая нагрузка при шлифовании составила величину от 3,5 до 4,5 А, в зависимости от припуска. Точность обработки соответствовала требованиям чертежа детали.

По результатам производственных испытаний на АО "Москвич" и статистической обработке полученных данных были получены математические модели связи показателей качества высокопористых кругов - стабильности твердости, дисбаланса и объемной деформации - с выходной характеристикой процесса шлифования - токовой нагрузкой (I):

Ьп 185+1,104 ЬпоЬл+0,895П+0,325ЬпЕу (8)

Параметры адекватности полученной модели: КМК 0,92, Б-отношение 492,0, остаточная дисперсия 0,4. На рис. 4 показано влияние показателей качества и конкурентоспособности круга на токовую нагрузку при шлифовании.

Наиболее сильное влияние на токовую нагрузку и, следовательно, на вероятность появления прижогов на обработанной поверхности, оказывают стабильность твердости (коэффициент парной корреляции 0,976) и дисбаланс круга (0,926). Нестабильность срезаемого слоя материала при увеличении дисбаланса приводит к нестабильности силы резания и, следовательно, токовой нагрузки. В меньшей степени влияет на токовую нагрузку при шлифовании объемная деформация круга при спекании (0,848).

Производственными испытаниями новых высокопористых кругов закрытой структуры повышенного качества установлено, что при шлифовании дорожек качения обоймы наружного шарнира на АО "Москвич" обеспечивается полное исключение прижогов.

В результате производственных испытаний на ММПП "Салют" установлено, что

.1. А 6.5

6 5,5

5

4.5 4

3,5 3

0.25

0,30

3,5 5'

0.35

3

4

4 6

Рис. 4. Влияние показателей качества круга на токовую нагрузку при шлифовании.

"•"аЬл, мм

-о-О, г

-е- ЕУ, %

при глубинном шлифовании замка лопаток турбины новые высокопористые крути

снижают токовую нагрузку до 25 0,о в сравнении с аналот ами, .при повышенном качестве обработки.

На основе выполненных научных исследований, разработаны рекомендации по обеспечению повышенного качества высокопористых крутов при их изготовлении.

Время смешивания высокопористой абразивной массы в смесительных машинах типа СМ составляет 16...37 мин в зависимости от номера зернистости, структуры и суммарного содержания корундовых и стеклянных микросфер в крут е С увеличением зернистости абразивного зерна, время смешивания уменьшается. С увеличением суммарною содержания корундовых и стеклянных микросфер в круге, при уменьшении относительного содержания абразивного зерна (увеличение номера структуры), время смешивания увеличивается. При использовании в качестве гторообраювзтсля фрутстовых косточек рекомендуется увеличить время смешивания на 2 - 7 мин

Рекомендации по назначению экономически целесообразных величин припусков на наружный диаметр, высоту и диаметр посадочного отверстия при прессовании, позволяют обеспечить изготовление высокопористых кругов закрытой структуры с требуемой пористостью, заданной геометрической формой и размерами.

Разработанные рекомендации но содержанию абразивного зерна, различных выгорающих и невыгорающих порообразовагелей в крут е. времени смешивания позволяют обеспечить изготовление тзысокопоржлых кругов диаметром 80...600 м.>1 и высотой 16...80 мм класса точности АЛ. твердостью от чрезвычайно мягких (ЧМ) до средне твердых (СТ), с номерами структур до 24 и дисбалансом по 1 классу, круто в диаметром 500...600 мм с рабочей скоростью до ¡00 м/'с, а диаметров 50...80 мм до 142 м/с, при минутном съеме материала до 20 мм3/с-мм.

Учитывая, что при этом стоимость нового инструмента практически одинаковая с его аналогами - известными высокопористыми кругами на основе выгорающих порообразователей, то указанные свойства, по мнению автора, предопределяют его повышенную конкурентоспособность на рынке абразивного инструмента.

Общие выводы.

1. Выполненные комплексные исследования, а также производственные испытания и внедрение, позволили решить актуальную научно-техническую проблему повышения качества и конкурентоспособности перспективного абразивного инструмента - высокопористых шлифовальных кругов путем подбора оптимального состава абразивной массы с нсвыгорающими порообразователями и улучшения технологии их изготовления.

2. Предложена и обоснована система показателей конкурентоспособности абразивных шлифовальных кругов, в том числе высокопористых, которая включает как стандартные показатели качества по ГОСТ 2424-83, так и дополнительные показатели: повышенные требования по деформации при его спекании, стабильность твердости в объеме и партии инструмента и допустимая скорость шлифования.

3. Деформация (усадка) при спекании высокопористых кругов является одним из основных показателей его качества, так как существенно влияет на искажение формы и точность геометрических размеров инструмента, объем удаляемого при механообработке абразивного материала, обеспечение заданной пористости (номера структуры) крута.

4. Установлено, что допустимая величина деформации определяется требованиями к качеству и экономичности изготовления высокопористых абразивных кругов. Так, для обеспечения заданной пористости инструмента допустимая объемная деформация возможна в диапазоне 4,8 ...9,1 % в зависимости от номера структуры, а экономически целесообразная величина деформации при минимальных затратах на формирование профиля инструмента должна быть не более 4,2 % независимо от номера структуры.

5. Стабильность твердости высокопористого инструмента определяется в значительной степени технологией его изготовления (порядок и время смешивания) и составом высокопористой абразивной массы.

Разработаны рекомендации по содержанию абразивного зерна, различных выгорающих и невыгорающих порообразователей в круге, времени смешивания компонент, которые позволяют повысить стабильность твердости в объеме инструмента по величине его среднеквадратичного отклонения до 3 раз в сравнении с известными аналогами.

6. Установлено, что допустимая скорость шлифования высокопористыми кругами зависит от их состава, дисбаланса, стабильности твердости и деформации круга в процессе изготовления. Разработанные рекомендации по составу высокопористой абразивной массы позволили обеспечить рабочую скорость при шлифовании высокопористыми кругами 18 структуры типоразмера 1 600*80*203 с дисбалансом по 1 классу 100 м/с, а кругами диаметром 50...80 мм до 142 м/с.

7. Установлено, что плотность высокопористой абразивной массы (сырца) и инструмента после спекания тесно коррелированы с характеристиками его качества. Например, по степени влияния на стабильность твердости инструмента (по величине коэффициента парной корреляции) исследованные параметры распределяются в следующей последовательности: стабильность плотности круга после спекания (0,982), объемная деформация круга (0,895), плотность круга после спекания (0,878), содержание корундовых микросфер (-0,856), стабильность объемной деформации круга (0,752), содержание абразивного зерна (0,743), объемная деформация круга (0,719), содержание стеклянных микросфер (-0,628), размер абразивного зерна (-0,594), содержание связки (0,577), содержание фруктовых косточек (0,425).

Таким образом, но показателям плотности на ттапе расчета навески кругов можно прогнозировал, характеристики""качества абразивного круга;-- а-также использован, их для неразрутпающего контроля уже изготовленною инструмента

8. Разработаны математические модели взаимосвязи между рецептурным составом высокопористых кругов закрытой струтстуры. плотностью сырца и инструмента после спекания с параметрами их качества, деформацией инструмента, лабильностью твердости, дисбалансом и разрывной скоростью. Их применение дает возможность определения оптимального состава круга с целью получения высокопористого инструмента повышенного качества и конкурентоспособности.

9. Разработанные рекимевдации по изготовлению высоконорисгого абразивною инструмента, подтвержденные производственными испытаниями и внедрением, обеспечивают получение кротов диаметром 80.. 600 мм и высотой 16...80 мм класса точности АА. твердостью от чрезвычайно мя1 ких (ЧМ) до средне твердых (СТ), с номерами структур до 24 и дисбалансом по 1 классу.

10.Испытания и внедрение новых высокопористых кругов закрытой структуры повышенного качества показали, что:

•разработанные высокопористые крути дают возможность реализовать процесс безприжогового сухого шлифования закаленных сталей с минутным съемом материала до 20 мм3/с>мм;

•при шлифовании новым инструментом дорожек качения обоймы наружного шарнира на АО "Москвич" обеспечивается полное исключение прижогов:

•при i .Ггбшшом шлифовании замка лопаток турбины на ММПИ "Салют" установлено, что новые высокопористые крути снижают токовую нагрузку'до 25 °о в сравнении с аналогами, при повышенном качеств обработки.

Основные положении диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Старков В.К., Макаров О В., Кручин С.В. Создание вь"хжопористо1 о абразивного инструмента повышенной производительности. В сб. трудов международной научно-технической конференции "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, станков и инструментов". Тула, 1997. -с ПО.

2. Старков В.К,, Макаров О.В. Высокопроизводительное шлифование без применения смазочно-охлаждающих средств. /'/ Сборник трудов конференции "Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы." Волжский, 1997.-е. 68-71.

3. Старков В.К., Макаров О.В. Критерии конкурентоспособности

высокопористого абразивного инструмента. •" Сборник трудов конференции-"Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы." Волжский. ¡998. -с. 48-51.

4 Starkov V. Eremm S. Makarov О. Porous Abrasi\e Tool for High Spied Precise Machining of Metal Parts O! IS NEWS. PERA. 1996 - s. 14

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макаров Олег Вячеславович

Обеспечение повышенного качества высокопористых абразивных кругов при их изготовлении.

Подписано в печать 10.09.98 Формат 60 х 84/16

Бумага ZOOM 80 гр/м Гарнитура "Times"

Объем уч.-изд. л. -1.5 Тираж 100 экз

Заказ №

Издание отпечатано в типографии ООО "МИКОПРИНТ". Лицензия на полиграфическую деятельность: Плр № 060265 от 07.04.1998 г.

На правах рукописи УДК 621.922.001.24:681.3.067(043.3)

МАКАРОВ ОЛЕГ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА ВЫСОКОПОРИСТЫХ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ.

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный Деятель науки и техники РФ доктор технических наук профессор В. К. Старков

МОСКВА - 1998.

Оглавление.

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА,

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 7

1.1. Показатели качества абразивного инструмента

и их оценка. 7

1.2. Высокопористые абразивные круги закрытой структуры - новое направление повышения качества абразивных кругов. 11

1.3. Эффективность применения высокопористых абразивных кругов закрытой структуры. 17

1.4. Выводы. 26

1.5. Цель работы и задачи исследования. 27

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ КАЧЕСТВА АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА И ПРЕДПОСЫЛКИ ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ. 28

2.1. Технология изготовления высокопористых кругов закрытой структуры как фактор повышения

их качества. 28

2.2. Рекомендуемые характеристики качества абразивных кругов как критерии их конкурентоспособности. 35

2.3. Предпосылки обеспечения характеристик конкурентоспособности и качества абразивных

кругов. 44

2.4. Выводы. 49

ГЛАВА 3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА ВЫСОКОПОРИСТЫХ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ ЗАКРЫТОЙ СТРУКТУРЫ С ИХ ДЕФОРМАЦИЕЙ ПРИ СПЕКАНИИ. 50

3.1. Методика и условия проведения исследований. 51

3.2. Влияние деформации на объем удаляемого при механообработке абразивного материала. 56

3.3. Влияние деформации на фактическую структуру (пористость) абразивных кругов. 60

3.4. Закон распределения деформации при изготовлении партии высокопористых кругов. 63

3.5. Выводы. 67

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ СОСТАВА ИНСТРУМЕНТА И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК С ПАРАМЕТРАМИ КАЧЕСТВА ВЫСОКОПОРИСТЫХ КРУГОВ. 68

4.1. Влияние состава и плотности абразивной массы на деформацию инструмента при спекании. 68

4.2. Влияние состава, плотности и деформации высокопористых кругов на стабильность их твердости. 75

4.3. Влияние состава, плотности, деформации, стабильности твердости высокопористых кругов на их дисбаланс. 82

4.4. Взаимосвязь состава, деформации, стабильности твердости и дисбаланса высокопористых кругов с их разрывной скоростью. 90

4.5. Выводы. 97

ГЛАВА 5. ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ВЫСОКОПОРИСТЫХ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА. 99

5.1. Лабораторные испытания нового инструмента при высокоскоростном шлифовании без применения смазочно-охлаждающих сред. 99

5.2. Обеспечение безприжогового шлифования при обработке деталей на АО "Москвич". 107

5.3. Производственные испытания высокопористых абразивных кругов закрытой структуры при

глубинном шлифовании лопаток ГТД. 113

5.4. Рекомендации по обеспечению повышенного качества высокопористых абразивных кругов при

их изготовлении. 117

5.5. Выводы. 122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. 123

ЛИТЕРАТУРА. 126

ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты испытаний высокопористых

абразивных кругов. 136

Введение

Современный уровень технического прогресса, непрерывное создание новых совершенных высокопроизводительных, автоматизированных и высокоточных машин, развитие прогрессивных методов формообразования, создание новых труднообрабатываемых конструкционных материалов, основанных на использовании новейших достижений науки, резкое повышение требований к качеству, надежности и долговечности машин и механизмов, зависящих от точности и качества обработанных поверхностей деталей - основные предпосылки разработки и внедрения прогрессивных инструментов и технологических процессов.

При изготовлении ответственных деталей машиностроения, то есть деталей повышенной точности формы и размеров при высоком качестве обработанной поверхности, на заключительных этапах их формообразования наибольшее распространение получили процессы абразивной обработки. С абразивной обработкой по точности, качеству изготовления и производительности процесса съема материала сейчас не может сравниться ни один из известных методов финишной обработки.

В последнее время существенным преимуществом абразивной обработки стала возможность совмещать в одном процессе черновые и чистовые операции, исключая при этом такие высокопроизводительные методы лезвийной обработки, как фрезерование и протягивание. Эти новые методы обработки, получили название "глубинное шлифование" и "гюринг - процесс" и позволяют повысить производительность обработки в 10-20 раз и исключить применение дорогостоящих инструментов из твердых сплавов на основе вольфрама, кобальта, молибдена, тантала и других дефицитных элементов.

Эффективность методов абразивной обработки в значительной степени определяется эксплуатационными возможностями применяемого абразивного инструмента. Благодаря созданию за последние годы прогрессивных конструкций абразивного инструмента на жесткой основе, удалось повысить скорости обработки, интенсифицировать процессы съема материалов на основе никеля, титана, хрома и др. при высоком качестве обработки.

Наиболее действенным способом снижения температуры при шлифовании остается обильное охлаждение зоны резания, в том числе с подачей охлаждения через шлифовальный круг. Применение сма-зочно-охлаждающих средств становится препятствием для развития и более широкого применения процессов шлифования. С одной стороны, смазочно-охлаждающая жидкость, смешиваясь с продуктами из-

носа шлифовального круга и стружкой, создает в больших количествах отходы, которые не поддаются утилизации. С другой стороны, в ряде производств электронной, электротехнической и других видов продукции применение смазочно-охлаждающих жидкостей запрещено из-за возможного загрязнения обрабатываемых поверхностей и их стыков.

Одним из направлений повышения эффективности процесса шлифования в этой связи становиться применение высокопористых шлифовальных кругов. Практика их применения в машиностроении дает возможность сделать заключение о перспективности этого класса инструмента как для традиционных методов обработки - шлифования, хонингования, суперфиниширования и др., так и для внедрения новых прогрессивных высокопроизводительных схем резания.

Однако, широкое использование высокопористого абразивного инструмента в машиностроении сдерживается двумя важными обстоятельствами.

С одной стороны, известные технологии его изготовления, основанные на применении выгорающих органических и неорганических порообразователей, экологически не безопасны: при высокотемпературном спекании абразивного инструмента выделяются вредные химические выбросы (двуокись азота, окись углерода, фенолы, формальдегиды, эпихлоргидрин, сера и др.).

С другой стороны, эти технологии сужают уровень эксплуатационных свойств получаемого инструмента вследствие нестабильности его физико-механических характеристик по объему, повышенной неуравновешенности масс (дисбаланса), низкой рабочей скорости.

Предварительные исследования показали, что высокопористый абразивный инструмент закрытой структуры при шлифовании различных конструкционных материалов обладает уникальными преимуществами по сравнению с известным абразивным инструментом, в том числе высокопористым: снижается токовая нагрузка, усилия резания, температура шлифования как при обработке с охлаждением, так и при обработке «в сухую».

Указанные преимущества позволяют существенно повысить производительность обработки при повышении качества обработанной детали. Это открывает перспективы для внедрения экологически чистого «сухого» шлифования и внедрения новых высокопроизводительных схем обработки.

Перспективность дальнейшего развития данного направления определяется, прежде всего, экологически чистой технологией изготовления высокопористого инструмента, позволяющей резко сократить вредные выбросы в атмосферу, повысить эксплуатационные

свойства кругов.

Технология изготовления существующих абразивных шлифовальных кругов как нормальной, так и повышенной пористости не всегда гарантирует высокое качество инструмента.

Известно, что качественную и конкурентоспособную продукцию можно изготовить только качественным инструментом. Поэтому, потребность в высокопористых кругах повышенного качества постоянно возрастает.

По предварительным оценкам ежегодная потребность в высокопористых шлифовальных кругах повышенного качества в различных отраслях машиностроения России составляет:

•обработка деталей из никелевых и титановых сплавов (авиационное, энергетическое, тяжелое машиностроение и др.): =>диаметром 125...250 мм, высотой 8...40 мм - 400 тыс. шт.;

диаметром 500...600 мм, высотой 8...25 мм - 880 тыс. шт.; •обработка подшипников:

=>диаметром 5... 150 мм, высотой 8...60 мм - 10 млн. штук, •обработка деталей из магнитных материалов (предприятия электронной, электротехнической промышленности):

диаметром 250...350 мм, высотой 20...50 мм - 250 тыс. штук, •обработка деталей в автомобиле - и тракторостроении: =>диаметром 50...750 мм, высотой 8... 100 мм -1 млн. штук. В этих условиях, по мнению автора, вопрос обеспечения повышенного качества высокопористых абразивных кругов при их изготовлении актуален. Повышенное качество высокопористых кругов позволит существенно повысить их конкурентоспособность, что создает предпосылки для замены в России на предприятиях машиностроения, во многих случаях, импортного высокопористого инструмента на отечественный и экспорта нового инструмента за рубеж.

Данная работа выполнена в соответствии с планом Международного научно-технического проекта "Разработка высокопористого абразивного инструмента повышенной производительности и экологически чистой технологии его изготовления" совместно с Техническим университетом г. Кемниц (ФРГ) и Научно - технической программой "Эврика. Абразив-2000", которая выполняется совместно с рядом немецких и австрийских фирм и институтов.

Работа является продолжением исследований по высокопористому абразивному инструменту закрытой структуры, выполняемых в МГТУ "Станкин" под руководством проф. д. т. н. Старкова В. К.

Принципиально новое достижение данного исследования, по мнению автора, заключается в:

•предложенной системе показателей конкурентоспособности и качества абразивного инструмента, в том числе высокопористого, включающей как стандартные (твердость, неуравновешенность масс (дисбаланс), точность геометрических размеров и формы круга и др.), так и дополнительные показатели (стабильность твердости в объеме круга, допустимая деформация при спекании, рабочая скорость круга при эксплуатации);

•раскрытых закономерностях и разработанных математических зависимостях связи деформации инструмента при спекании с объемом удаляемого при механообработке абразивного материала и фактической структурой (пористостью) высокопористого круга;

•выявленных закономерностях и разработанных математических моделях взаимосвязи состава инструмента и его характеристик с параметрами качества высокопористых кругов, а также характеристик качества высокопористых кругов с показателями эффективности шлифования, в том числе, без применения смазочно-охлаждающих сред.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты диссертационной работы:

• разработанная система показателей конкурентоспособности и качества абразивного инструмента, в том числе высокопористого,

• разработка рецептурных составов высокопористых шлифовальных кругов повышенного качества,

• влияние состава высокопористых кругов закрытой структуры, плотности сырца и инструмента после спекания на показатели их качества и конкурентоспособности,

• лабораторные и производственные испытания высокопористых абразивных кругов повышенного качества,

• рекомендации по обеспечению повышенного качества высокопористых абразивных кругов при их изготовлении.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю д. т. н., профессору В.К. Старкову, а также благодарит начальника техбюро ТУ АО "Москвич" Б. В. Лосева, директора инструментального завода ММПП "Салют" В. Ю. Аниси-мова, к. т. н. Кавина Д. Б., к. т. н. Еремина С. В., Рябцева С. А. и Ио-нова А. И. за помощь, оказанную при проведении исследований и подготовке диссертационной работы.

Глава 1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Показатели качества абразивного инструмента и их оценка.

Шлифование - это сложный и многофакторный процесс, который имеет ряд особенностей.

Во-первых, преобладающая часть приводной мощности из-за непродуктивных трущихся и мнущихся движений зерна о материал преобразуется в тепло (до 80 %). В связи с этим рабочая температура относительно высокая уже при незначительном объеме снимаемого материала за единицу времени. Низкая теплопроводность шлифовального круга приводит к тому, что большая часть тепла идет в заготовку и нагревает ее до нежелательно высоких температур.

В то же время, происходят структурные превращения в металле при высокоскоростных термических процессах, при этом необходимо учитывать скорости нагрева и охлаждения заготовки.

Разработке методов расчета тепловых процессов при шлифовании посвящено большое количество работ таких ученых, как Редько С.Г., Подзей A.B., Резников А.Н., Островский В. И., Исаев А.И., Силин С.С., Ящерицын П.И., Якимов Я.В., Сипайлов В.А. и другие.

Температура и напряженность теплового потока при определенных условиях могут вызвать различные дефекты (прижоги, трещины). Во всех случаях наличие прижога служит причиной для окончательного забракования изделия, так как прижог часто приводит к внезапному разрушению изделий под нагрузкой.

Основными причинами возникновения прижогов являются: трение связки о шлифуемую поверхность, трение о металл затупившихся зерен, засаливание круга. Тепло отводится главным образом в глубь металла, поэтому и прижог распространяется вглубь заготовки. Глубина прижога зависит от напряженности теплового потока. На операции шлифования этот вид дефекта наиболее распространен /30,51,60,69,81,139 и др./.

Во-вторых, под действием большой температуры в поверхностном слое обрабатываемой заготовки происходят структурные превращения, которые приводят к возникновению внутренних напряжений. С точки зрения эксплуатационных свойств детали благоприятным является образование сжимающих остаточных напряжений /9,81,89,107,122/.

В-третьих, сравнительно большое усилие резания влекут за собой всякого рода вибрации, уменьшение точности обработки, прижоги

и трещины. /30,51,78,81/.

Во многих работах отмечается, что шлифовальный круг, его состав и качество, как элемент технологической системы, влияет в большей степени на уменьшение температурно-силового фактора, остаточных напряжений, обеспечение точности и качества обработки заготовок, чем точность станка, тепловые деформации технологической системы, жесткость технологической системы, точность установки заготовки на столе станка, способ получения заданного размера, технологическая наследственность и др. /10,54,67,123 и др./.

Например, Филимонов Л.Н. в работе /113/ утверждает, что во многих случаев малейшее изменение характеристики круга делает невозможным выполнение операции: при плоском шлифовании закаленной быстрорежущей стали периферией электрокорундового крута изменение твердости на одну степень (с МЗ на М2 или СМ1) приводит либо к осыпанию круга, либо к появлению прижогов на поверхности.

Качество шлифовального круга определяется требованиями к стоимости, производительности, точности и качеству обработки. Эти требования, как правило, должны исходить, с одной стороны, из необходимости обеспечения максимальной производительности в условиях бездефектного шлифования, с другой стороны, из необходимости достижения заданных чертежом точности и качества поверхности при минимальных затратах /12,60,69,79,147/.

Согласно ГОСТ 2424-83 и анализируя литературу/12,33,74 и др./ качество шлифовальных кругов характеризуется показателями, схематично показанными на рис. 1.1.

Для удовлетворения разнообразных требований абразивные инструменты изготавливают различных форм и размеров по ГОСТ 242483, ГОСТ 2447-82 и др. Широкое применение получили абразивные круги прямого профиля (тип 1), с двусторонним коническим профилем (тип 4), с коническим профилем (тип 3), с выточкой (тип 5), с двусторонней выточкой (тип 7), чашечные цилиндрические (тип 6), чашечные конические (тип 11), тарельчатые (тип 12 и 14) и др.

Все абразивные круги должны изготавливаться в соответствии с требованиями соответствующих стандартов по рабочим чертежам, утвержденным в установленном порядке.

ГОСТ 2424-83 предусматривает выпуск абразивных инструментов классов точности А, Б и АА, причем класс АА соответствует повыш