автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение стабильности эксплуатационных свойств высокопористого абразивного инструмента закрытой структуры путем управления его составом

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДВДАШда, ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ^ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

с:з

С'}

На правах рукописи, УДК 621.922.001.24:681.3.067(043.3),

КАВИН ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПОРИСТОГО АБРАЗИВНОГО И11СТРУМЕ1 ITA ЗАКРЫГОЙ СТРУКТУРЫ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЕГО СОСТАВОМ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат

диссертации на соискание учецо^ сте(1е1Щ кандидата технических НЧУК

МОСКВА -1995

ВДбУй выполнена в! Московском Государственном ¥йШоЬЬг1Леском Университете ♦СТАНКЙН".

эаслукйНййй деятель науки и технйкй'РФ, доктор техййческих наук, профессор В.К. Старков

доктор технических наук, профессор В.А. Гречишников

'кандидат технических наук, чОД№)ий научный сотрудник 'ВЛ.'Кащук

ХбОТ "Московский 'Абразивный завод"

Защита диссертации содгачтся "21" де/Г/?£рЯ 1995 года, в •/у часов на заседании специализированного Совета К 063.42.03. при ^Московском государственном технологическом университете *СТАНКИН" по адресу: 101472, ГСП, Москва, Вадковский пер., д.3а.

С диссертацией можно! ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН". |

'Ваш ог)ь*в на автореферат, заверенный печатью, просим 'Ш^ДОНъ'КЬуказанному адресу.

Автореферат разослан 1993 года

!Й1#ШЮ'рукЬвоДитега, - |

I

I

' 0<фйЦиа;Ь>йые оппоненты -;

- ' '■ . I

Ведущее преОДрШе

Ученый секретарь специализированного Совета к.тл.', доцент

Ю.П. Поляков

оищля характеристика работы

Актуальность темы, Процессы абразивной обработки И прежде всего шлпфопшшс занимают большой удельный вес (и среднем 30 %, а в отдельных отраслях достигает 70 %) от общей трудоемкости процессов механической обработки резанием и машиностроении и приборостроении. По различным тсхннко-зкономкческим прогнозам предусматривается дальнейшее увеличение применения шлифования. В последнее время важным преимуществом шлифования стала 'возможность совмещать в одном процессе черновые и чистовые операции, исключая при этом такие высокопроизводительные методы лезвийной обработки как фрезерование и протж нвание. Эти новые методы обработки, получившие название 'глубинное шлифование" или : силовое шлифование, позволяют повысить производительность обработки в 10 - 20 раз и исключить применение дорогостоящих инструментов из твердых сплавов на основе вольфрама, молибдена, кобальта и других дефицитных материалов.

Благодаря созданию за последние годы пр01рссснвных конструкций абразивного инструмента на жесткой основе удалось значительно повысить скорости обработки, интенсифицировать процессы съема материала. Применение новых абразивных материалов и инструментов способствует росту производительности и повышению качества обработки. Абразивный инструмент занимает определяющую роль в формировании качества изготовляемых изделий. В связи с этим уровень оснащенности промышленности высокопроизводительным абразивным инструментом оказывает значительное влияние на ее развитие, на темпы внедрения новой техники в целом.

В связи с вышеперечисленным актуальной становится задача по разработке и внедрению в промышленность новых видов абразивных инструментов, в том числе н высокопорнстото абразивного инструмента специальной закрытой структуры на керамической связке, разработанною в М1ТУ "Станкип" и позволяющего обрабатывать различные материалы при соблюдении комплекса трсбппаннИ по производительности и качеству обработки . При »том важной является задача создания высокопористых крут ов с Повышенной стабильностью нх зкеплуатанионных свойств.

Установлено также, что в настоящее время только технология ■ изготовления высокопористого инструмента с так называемой закрытой структурой позволяет получать высоко!юристые круги, эффективно работающие при глубинном и высокоскоростном шлифовании различных материалов. Вместе с 1см, при разраГкнкс, а также при внедрении высокопористых круюв закрыт он структуры в различных отраслях промышленности а к т у а л ь и о й является задача

- г -

гарантированного обеспечении повышенной стабильности

эксплуатационных свойств, как одного круга, так и партии таких инструментов.

Работа выполнялась п рамках международного проекта РОГ.'КОМВУЧа "Рачрабогка выеокопористого абрачниного

инструмента повышенной производительности и экологически чистой технологии его производства", а также по договорам о научно-техническом сотрудничестве с Техническими Университетами гг. Магдебурга и Хемниц-I (инкау (ФРГ).

i i

Цель работы. Целью данной работы является повышение ;> эффективности использовании иысокоцористых шлифовальных кругов i na счет повышении стабильности их эксплуатационных свойств путем оитимичаини их состава. Дли достижения укачанной цели были установлены степень и характер влиянии параметров структуры' высоконорнстого Kpyi а на сю основные чкенлуашоюнпые свойства, а также стабильное! I, них снимав. ')io позволило разработать иро|рамму оптимизации ренешуры абразивной массы дли обеспечения фебуемых стабильных эмплуапщионных свойств высоко! юрнстого абразивною инструмент.

-Mn'VlHK« исследовании,

Основные положении il выводы работы обобщены с почнцлн теории шлифовании, i горни вероинюст н математической патетики, достоверное II. полученных речулышов нодтверждаеия лабораюримми И заводскими испьнаниями. ирнкniKoii внедрении »промышленности. Комплекс эксисриметаш.ных исследований проводился в лабораторных И нроичводовенных условиях с использованием современной конфолыю-тмериклыюй аппаратуры.

С ташстнчсская обрабшка полученных результатов исследований Проводилась с нсполыовапием IHM IV с помощью iipoipaMM и методов корреляционно! о и peí pea iioiuioi о лналпчов.

При рачрабо1кс нрюраммы ошимщацнп ренешуры абразивной массы применился аппарат кхничеекпх и щмлраммных средств IHM IV.

ILWllWe (lojML'Hu рабщы «аключапси,! лавным образом,« :

• выявленном карам ере и аепепи влияния различных компонентов состава (размер абрачивных черен, соошошепне размера черен и нении ораюшнх мнкросфер. нх опюсшелмк'ю содержал ни, а также CBiriKH к обьеме ннорумеша) высоюпорнстых шлифовальных крут ов на нх (чтюнлыс will) a J анионные свойпва • твердость, о тоннельную лгформашоо, разрывную нрочткть и их стабильность;

- n -

- математических чанипшипях, устанавливающих связь компонент cocía»« высокопористо! о абразивного инструмента закрытой аруктуры с жшлуатапнопными свойствами данных инструментов, а также с их стабильностью.

ЩШйШлХКДОК.Ш'ВД'ь работы заключается и :

- разработанных п внедренных рецептурах высокопорисзых кругов чакрыloii структуры с повышенной стабильность«» зкеилуатацнонных свойстн на различных операциях высокопроизводительного

• шлифовании;

созданной Maitinnnoii пр<ираммс оптимизации рецептуры абразивной массы высокопорисюго абразивно!о круга закрытой структуры. Результаты работы используются в настоящее время при проектировании, изготовлении и внедрении высокопористого ¡ абразивного инструмента закрытой структуры с повышенной ' стабильностью жеплуатанионных свойств на операциях шлифования . конструкционных сталей » различных отраслях машиностроения. При ; этом применение данно! о тина ннетрумеШа обеспечивает значит ельное повышение производительности и качества обработки, исключение повреждений обработанных поверхностей.

ЕЙДШЙШШ_работы. Разработанные рецептуры и технология

изготовления высокопористого инструмента закрытой структуры внедрены на AOJT " )коабраз1ш", а 1акже используются при ею изготовлении на АО "Абразивный завод "Ильич". Новые высокопорнстыс круги прошли испытания в производственных условиях ряда предприятий различных отраслей промышленности (подшипниковых заводов : ЛНЧ-20 i -Курск, АОО Т С1П-3 г.Саратов и др.), iдс подтвфдшш высокую »ффекшвноси. применения такого инсфумеита на различных операциях шлифования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на выставке-семинаре "Современное производство и рынок мекьтзорежупкт о ннс/румстя" (i.Москва, 1993г, 1*УККЦ "Станкобнзнес"). а результат представлялись на 4-й международной выставке *1ЮД111И1II 1ИКИ-93" (I.Москва) и 1-й машнно-технической ярмарке "М.\ИШ!('Ж< ЧЮ-УЗ" (г.Москва).

11убликации. Но теме диссертант« опубликовано 3 печатные рабоtu.

Структура и объем работы. Днссфтацня состоит m введения, 5 глав, заключения, списка лшературы I 44 наименования / и приложения. Она

изложена на tiß страницах машинописного текста, содержи/' 17 рисунков, J7 таблиц.

(Ч)ДНРЖАПШ: РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуалыюсть работы, даегся ее общая характеристика, покачана ее Направленность и научная пошппа.

В цервой главе проведен аналнч сосюянпя »опроса , приведен литературный «Спор о применении высокопористых крут» при обработке рачличных трудношлифуемых сталей и сплавов, сформулировины цель и основные чадачп исследования. i

К настоящему времени нчвестно мною работ, посвященных ■ сочданню и применении) высокопорнетых Шлифовальных круюп с ' открытой пористостью (в дал1.иейшем - кру| н с открытой структурой). В i этой области irmccmi.i нселедонцння : М.Д. Нанмевой, Ч.И. Кремня , i С.М.Федотовой.

Крут с открытой структурой нашли широкое применение как при' традиционных схемах шлифования, так и при глубинном схеме обработки рачличных конструкционных материалов. Изучению Проблем иснольтования высоконористмх круюв открытой структуры посвящены исследования ряда отечественных ученых, среди них : Р.В. Ананьмн, Д.И. Волков, A.B. Лобанов, В.Л.Полетаев, СЛ.Попов, П.С.1'ыкунов, С.С.Силин. Л.Н.Филимопов, Н.А.Хрульков. П.И. Ящерицын.

Шлифовальные крут с чакры юй пористостью или структурой впервые были рачрибо1апы в М1ТУ"( 1анкин".

Ичучению особенное!ей ичютоилення и применения высокччюристых кругов с такрытой структурой посвящены исследования, выполненные под руководством проф. М.К.Сшркони 1.С. Ьалкаронмм, A.b., ЧубковЫм, A.M. 1'оманепко и др., а также работы Ь.11. Кудряшова, В.И- Курдюкова.

В диссертации подробно наложены особенности формирования iiopiH'iociii шлифовальных круюв ожрыюй и чакрытой структур и их применения при обработке ратличных конструкционных материалов. Сравнительный аналнч укачанных абрачнвных круюв покачивает определенные преимущества у инструменюн с чакрытн структурой: потможноаь получения более высоких чпачеиий твердое™ и ратрывной прочности. Однако сохраняется проблема tcmio.toiнчеекшо обеспечении более ничкнх чначеннй относительной деформации круга при ею спекании, а также стабнлнчации твердости в объеме инструмент, особенно крупно! абарипюго.

Применение выюкопористых абрачнвных круюв в машиностроении Ноклыпасг сном высокую .»ффекпшность на рач:агиам операциях itpn

ПрСДШ1|11ПСШ,||ОМ И ОКНПЧЛТСЛЬНОМ ШЛНфоВаНИН. Характерной ОСОбсННОСТЬН) ЯВЛЯСТСЯ НрИМСНСНИС ВЫСОКОНОрИСТЫХ абрачнвных кругов на операциях шлнфоиания, осуществление которых сопряжено с трудностями, СВЯЧаННЫМИ с ВОЗМОЖНОСТЬЮ ВОЧНПКНОВСНИЯ на обрабатываемых поверхностях нрнжоюп и трещин. При пеполыовании высокоиористых кругов доспитнмея повышение нрончво;ипсльносги обработки До 2...3 ря» при обеспечении высокою качества обработанной поверхности (отсутствие прнжогов,трещин,сколов) на традиционных операциях мантпиковою шлифования деталей нч • различных МЯ1ННГНЫХ материалов , никсленых и титановых сплавов, сталей, чугунов и лр. ')тот эффект происходит ча счет повышения режущих свойств шлмфомялыкч о круга при работе его п режиме " I самозатачивания", а также ча счет его высокой ичноеоаойкосги. | Обработанная иопорхинегь имеет высокие показатели качеств, при I этом доспи пегся полное исключение нрижоюв, трещин и других | дефектов. '>то осуществимо за счет уменьшения силы шлнфоиания па 20-| 30 %, п также температуры ишифованнн, что позволяет в ряде случаев ! обрабатывать детали беч охлаждения и увеличивать глубину обработки 1 до 2-х и более рач . Таким образом, установлено, что высокопорнсгые .круги имеют на ряде операций шлифования существенные преимущества по сравнению с традиционными инструментами нормальной пористости при обработке различим* материалов с широким диапазоном их основных свойств.

Вместе с тем, проведенный анализ литературных данных покачивает, что существующая технолотя нзютовлення вмсоконорнстыхкругов открытой структуры не обеспечивает высоких показателей эксплуатационных свойств. Твердость таких кругов изменяется в узких пределах : от весьма мят ких до средпемягкнх и средних степеней; низкая разрывная прочность не обеспечивает рабочую скорость выше 35 м/с; большая деформация круга при спекании. Нее чти недостатки снижают эффективность и надежность применения высокопористого инструмента, являются причиной шикни стабильности их свойств как в объеме одного круга, так и в партии инструмента,

Перспективным направлением явилась разработка более эффективных пысокоиорнсгых круюв чакрытой структуры изготавливаемых. с применением различных видов иевыгорающего порообра чукшиз о нгшотншедя. Высокоиорнстые шлифовальные круги закрьтюй структуры являютс* принципиально новым видом абразивного инструмента, объединившим в себе достоинства повышенной пористости и ошималмшИ твердости, позво;втвшие существенно расширить их эксплуатационные возможности «три обработке различных материалов.

- б -

Предварительные исследования показывают, чго технология изготовления высоконорпстых круюв с закрытой структурой обеспечивает более высокие показатели зкеилуа гапиоппых свойств, чем у традиционных нысоконористмх кругов. Однако, анализ известных литерщуриых дннных показывает, что отсутствуют комплексные исследовании, определяющие влияние составляющих компонентов абразивной шиты - зерна, связки, нсвыгорающих порообрязующнх наполнителей на эксплуатационные свойства высокопористых крути и и» стабильность -них свойств. Предварительные исследовании позволяют предположить, что изготовление высоконорпстых круюв с высоким комплексом эксплуатационных свойств при i араитировапном обеспечении их стабильности возможно путем ошимпзании соотношении абразивного зерна, связки, иевыюраюших наполни'телей в составе круга. I

С учетом изложенною, в данной главе была сформулирована вышеприведенная цель диссертации, для достижения которой были поставлены следующие задачи: /

• определение влияния состава абразивной массы на твердость круг;а н ее стабильность;

• исследование и моделирование влияния состава абразивной массы на относительную деформацию высокопористых шлифовальных кругов; /

• исследование и моделирование влияния состава абразивной массы на разрывную прочность и стабильность прочности высоконорпстых шлифовальных кругов;

- разработка методики и про|раммы оптимизации состава высоконорпстых шлифовальных кру| ов;

- промышленные испытания и внедрение результатов работ.

t)o pi »рой главе изложены условия и методика проведения экспериментальных исследований влияния основных компонентов рецептуры абразивно») Kpyia на его твердость и стабильность твердости, а также представлены результаты исследований в виде С)атипических моделей и трафичееких зависимостей.

Ilpil проведении различных испытаний было исследовано свыше нятиадиаш тысяч различных высокопористых .кругов, более 30 их типоразмеров. В исследуемых пысокопористх кругах в качестве абразивных материалов использовался злектрокорунд марок 24А, 25А , 91 А, 93А. Зернистость абразивного материала изменилась в диапазо не 100 ..500 мкм, что соответствует номерам зернистости 10...50. При изготовлении высокопорнсгых круюв использовалась керамическая сватка марки КЗ ПГ, в также спсииалыше керамические связки фирмы FAQ (ФРГ). Номер структуры кругов - 8...20 (соответственно

содержание зерни в объеме круга составляло 22 ...46%). Индекс твердости высоконорнстых кругов изменялся в диапазоне ЧМ2...СТ2.

Измерение твердости экспериментальных кругов производилось согласно требований ГОСТ IXIIX - 79 на пескоструйном приборе модели VIO - У4. Степень твердости определялась по среднеарифметическим значениям глубины лунок hl. Оценка стабильности твердости (рассеяние твердости в объеме круга) производилась но величине среднеквадратичною отклонения (СКО) [ глубины лунки. Но результатам экспериментов была проведена [ . статистическая обработка полученных данных с использованием I специальных программ корреляционного и pcipeccuoimoro анализов, I реализованных на IHM PC.

S В настоящее время в России при №1 отоплении абразивного

\инструмента на основе электрокорунда из всею ранее известного многообразия связок используется лишь керамическая связка К5. В этой связи все исследования, связанные с рецептурой шлифовального круга проводились на основе связки К5.

В результате обработки данных была построена обобщенная статистическая модель зависимости твердости круга на керамической связке марки К5 от объемною содержания компонент рецептуры:

hl = 16,64 -1>,34 Уз + 1,53 Vmc - 51,75 Vcn (2.1.)

i

Анализ полученной зависимости показывает, что наиболее сильное влияние на твердость инструмента среди других компонентов оказывает содержание связки (коэффициент парной корреляции равен 0,433).'Ого объясняется тем, что именно количество связки, в первую очередь, определяет размеры связующих мостиков • перемычек между зернами в абразивном круге. Увеличение процентного содержания электрокорундовых мнкросфер в круге, в отличие от связки, оказывает незначительное влияние на твердость инструмента (коэффициент парной корреляции равен 0,027).

Увеличение процентного содержания абразивною зерна в. круге способствует повышению твердости высокопористого шлифовального круга за счет лучшего удержания зерен в круге при увеличении числа контактов" мгеж/Qr ними ^коэффициент парной корреляции • 0,407). Поэтому, с увеличением номера структуры круга степень его твердости ■ снижается.

В. целях выявления особенностей примгтшшя различных по своему составу керамических связок на фирме РАО (ФРГ) при изготовлении высокопористого инструмента различных характеристик использовались фирменные связки марок V201 в VI219. Состав связок

известным причинам шляется 'ноу-хау* фирмы и не был известен.

Анализ полученных еппичических данных и построенных на оатшннп их моделей показывает, чю н.п (более сильное влияние на повышение твердости 1н.1сокопорнси.1Х круюв на импортных спячках, оказывает содержание связки ( коэффициенты парной корреляции для связок марок V201 и VI2I9 в лшарифмическнх моделях соответственно ривны - 0,755 н - 0,825, а в на |уральных моделях они принимают значения - 0,758 и - 0,822 cooiihtcibchiio). Для сравнения: айриишнос черно НЛННС1 на 1вердосц> вмсокопорнстых кругов чпачнтелыш в меньшей степени, чем спячка (ко зффпцненгы парной корреляции для черна составляют для ло| арифмическнх моделей 0,243 и 0,298, а для IIUiyptiJU.in.lx моделей 0,197 И 0,27| соответственно). При чтом, увеличение содержание черна в круп- ведет к снижению твердости крут, 'мскфокорупдовые мнкрогферы но своему влиянию на тиердоць исследуемых круюв занимают промежуточное положение (козффинисшы парной корреляции для микросфер составляют для / логарифмических моделей - 0,553 и - 0,699, натуральных моделей - 0,59 и »0,738 iooibcktbchho) и влияют ни увеличение твердости. j

liiijur сильное влияние на твердость пысокопорнстых круюв керамических связок фирмы I ДО но сравнению со спячкой мирки К$ можно объяснить тем, чю имиортыс свячки, в отличие от применяемой В ироичводсще свячки млрки К5, обладаю! более высокими фпзико-Механическнмн свойствами, в частности - более высокой реакционной акшлносшо по о!ноц|еш1К> к зерну и наполнителю. Цочтому возникают более высокие ши с тонные силы, вызывающие более прочное (ценленне абразивною черна и наполнителей с такими связками н шлифовальном кру| е.

Получена пашпнческая модель распределения твердости на большом чкгперимстачьном маириале, из которой следует, что чакон распределении значении 1Лубины лунки для высоконорнп ых кругов чакрыюй npvKivpu является нормальным (рис.2.1/.

И peiyjii.iaie обработки данных ДЛЯ кругов на связке К5 была Получена модель 1'КО глубины лунки:

СКОЫ - 1,246- 1,387 V» - 0,352 Vmc + 6, 569Vcb (2.2.)

Исходя из анализа данной зависимости можно заключить, что на паОидыюегь твердое! и но величине С КО глубины лунки наибольшее влияние оказывает опнчтпелыме содержание связки (коэффициент парной корреляции 0,629) Повышение содержания свячки повышает ('КО hl. )лек фокорундоные мнкросферы оказывают достаточно снлыюс шняиие на повышение стабильности значении 1всрдосш (коэффициент парной корреляции • 0,306), » меньшей же степени влияет содержание i : ;

Г ' ' 4

& 3,0 4* 4,0 4,5

Рис. 2.1.. Распределение твердости в шлифовальном круге.

ы.

7 5 3

3,5 3,6 3,7 ЗЛ 3,Э 4,0

Рис. 2.2. Злляние содержания корундовых ыихросфар

на распределение твердости в шлифовальном круге.

абразивного зерна и соотваственно структура круга (коэффициент парной корреляции • 0,146).

Усгаповлеио, что наиболее эффективным метолом понижения стабильности твердости является изменения содержания в круге элекгрокорундовых микросфер; тик, при увеличении их в круге до 20% повышается стабильность твердости круга но величине СКО глубины лунки в 5,8 раз (рис. 2.2).

И третьей |лавс пшожепи методика проведения исследований влияния состава абразивной массы на относительную деформацию (усадку! и ритрынную прочность высоко! в>рнстых кругов.

Исследования проводились в два этапа. 11а цервой этапе было выявлено влияние состава абразивной массы на относительную деформацию кругов, Приведены технологические условия и оборудование для проведения исследований но определению влияния 1 состава пОризнннон массы на относительную деформацию/ выюкопорнс1Ых иынфотшьных кругов. Установлено влияние техпол<ч нчоско| о пролога нэютовления высокопорнстых абразивны^ круюв на их деформацию.

Деформация крута при обжит с является основным фактором, сопутствующим получению высокой норнсюсгн, вследствие этого абразивная промышленность не выпускает инструмент с номерами структур 14...1(> н выше, несмотря на то. что эффективность его применения возрастет с увеличением пористости.

Ведение неньн ориющих нор«м>бразовагс)тсИ позволяет решить эту проблему ну »ем ошимтаини пни ношения между содержанием абразивно! о зерна и полых микросфер в объеме штструмента.

II результате обработки полученных экспериментальных датитых были построены обобщенные статистические модели зависимости величины деформации крут от основных компонентов сто рецептуры Н1П них выбрана модель, являющаяся наиболее адекватной:

I- = - 4,444 - 4,017 Уз^Умс ♦ 0.656 Уев (3.1.)

Диализ полученной модели показывает, что наиболее сильное влияние на усадку крута оказывает суммарное относительное содержание зерна и микросфер ( кочффнинеш парной корреляции -0.83Н», 1 акос с1ЧЬпос шишшс их на ветчину усадки крута объяснялся тем. чю имсиио суммарное объемное содержание этих компонентов н «»иределвет насколько прочным будет 'каркас* высокоиорисюю кру| а. способный сохранясь свои размеры и форму при изменениях происходящих » крут е при м-мотовлеюш. особенно нрн термообработке. Расчетная оценка суммарного содержания ко.шчесгаа аОраэквных эсрсн и микросфер с учетом их фактичеекч о рассеяния но

размерам для конкретных характеристик высоконорпстых кругов с различном зернистостью (12...40) и различными номерами структур (10... 14) 11о;ггвсрж;шст тесную корреляции) между их суммарным содержанием и относительной деформацией инструмент при спекании (рис.3.1.а). Колес удобной характеристикой является суммарное относительное содержание абразивного зерна и мнкроефер, с помощью которой можно унраплять относительной деформацией круга, учитывая также относительное содержание связки (рис.3.1.б).

Па основании большою объема исследований высоконористцх • круюв различных составов было установлено, что пелнчнна относительной деформации круюв после спекания изменяется в I диапазоне от 0,5 до 12 %. Оптимальные рецепгуры высоконорнстого [ инструмента, разработанные для промышленного применения I предполагают возможную его деформацию после термической \ обработки не более 1%.

1 На втором этане исследований определялось влияние состава 1 абразивной массы на разрывную прочност ь высоконорпст ых Kpyi ов. I . Разрывная прочность является одной из важнейших характеристик t шлифовальных кругов, особенно высокоскоростных, которая определяет I рабочую скорость резания, а следовательно, производительность \ процесса абразивной обработки, износ инструмента и качество ^обработки. В этой связи в данной главе сделан подробный анализ исследований но разрывной прочности шлифовальных кругов с целью Поиска эффективных технических решений для ее повышения применительно к высокопористым кругам.

За последнее время в связи с повышением уровня развития абразивной промышленности и станкостроения рабочая скорость кругов в целом ряде операций шлифования возросла с 35-50 до 60 м/с, а на отдельных операциях - до 80 м/с.

С целью определения степени и характера влияния составляющих компонентов рецептуры круга на его разрывную прочность, была проведена статистическая обработка результатов полученных в ходе испытаний различных рецептур высокопористых ишифоральных __ кругов. ,

На основании полученных данных были построены обобщенные модели зависимости прочности высокопористого круга на растяжение и . СКО прочности от объемжмо содержания компонентов рецептуры:

liKJp = 0,488InVcB+ 0,6761пУз + 0,16 In VmC"+ 8S9S (3.2.)

Из анализа коэффициентов парной корреляции следует, что наибольшее влияние на разрывную прочность круга оказывает [содержание связки (коэффициент парной корреляции равен 0,756). д алее

5

%

5

6

2

о .......

о\

.....^ • \ О

о X

е, %

и а 0 46 42

■ а)

Н,5 42,0 Щ+1*)

\Ч

6 т

<0

0,3 0,Ъ5 щ №

Рис. 3.1. Зммсювсть даформа«** кр/га от суммарного: 4- сс&рлгши камчестьа аОраэшша верен * иихросфвр; в- ммоснтвдыюго сод»наши юрка и микросфер-

по стснени влияния идут мнкросферы и абразивное зерно (коэффициенты парной корреляции раины 0,69 и 0,54 соответственно). Это можно объяснить тем, что прочность круга складывается из прочности составляющих его компонентов. Керамическая связка является наиболее важным фактором, влияющим па прочность ннструмсша. При связывании зерен электрокорундовых материалов керамическими сижкамп действует следующая зависимость : чем выше реакционная активность связок но отношении) к зерну, тем выше адгезионные силы сцепления зерен со связкой и тем bijiuc прочность крута. Немаловажную роль в прочности кругов траст содержание элсктрокорундовых мнкросфср, служащих в качестве дополнительных мостиков связки, снижающих благодаря своей правильной сферической форме, вероятность возникновения в объеме круга дефектов и внутренних напряжении.

В ходе разработки высоконорпстых кругов закрытой структуры с целью дальнейшего повышения прочное!них свойств кругов и обеспечении стабильности них свойств было предложено применение специальных стеклянных мнкросфср.

При проведении исследования на прочинен, при растяжении и стабильности се значении jvix образцов, изготовленных с применением комбинации двух наполнителей ( •»лекзрокорундовых и стеклянных микросфер) были получены экспериментальные данные, на основании которых были построены статистические модели зависимости разрывной прочности и ее С КО от компонентов рецептуры высоконорпстых абразивных кругов. Полученные статистические модели имеют вид:

- прочность на растяжение :

ар = 4,36 Vcb - 0.29 V3 + 9.09 Vmc + 37,39Vcr + 8,993 (3.3.)

- среднеквадра гичное отклонение прочности на растяжение:

ГКО <тР= 4,77 Vcb- 1,26 Уз-0,95 Vmc-2,59 Vct - 34,28 (3.4.)

Анализ модели 3.3. позволяет заключить, что на прочность при растяжении высокопорнсгых кругов закрытой структуры в наибольшей степени влияет объемное содержание в круге стеклянных микросфер (коэффициент парной корреляции равен 0,5Х), далее но степени влияния находятся: объемное содержание керамической связки, злектрокорундовых мнкросфср и, наконец, зерна (коэффициенты парной корреляции соответственно раины 0,40, 0,25 н 0,17). KaV подтверждает модель 3 3, с уменьшением количества зерна снижается однородность абразивного черепка, происходит ослабление мостиков связки, увеличивается число концентраторов напряжений, что приводит к некоторому разупрочнению абразивного черенка. Поэтому с увеличением номера структуры круга его разрывная прочность уменьшается.

Корреляционным а палю модели (3.4) покачал, что наиболее слабое влияние на СКО оказывает содержанке зерна. При этом, с увеличением номера структуры круга. СКО прочности возрастает. Связка наиболее сильно влияет на величину СКО прочности, что обуаювлецо нестабильностью физико-механических свойств самой связки. Введение в состав круга электрокоруидовых и стеклянных микросфср способствует повышению степени однородности строения абразивного черепка, увеличению количества удерживающих зерна перемычек и, соответственно, снижению уровня напряжений в круге. Электрокорундовые микросферм повышают стабильность физико-механических свойств и снижают СКО прочности круга на разрыв, а стеклянные мнкросфсры оказывают влияние такого же характера, но в меньшей степени.

Анализ методов определения прочности кругов показал, что, как расчетным путем, так и экспериментально с помощью специальных образков, получаются только приближенные результаты. Испытание же прочности кругов иа разрыв отличается более высокой точностью и достоверностью результатов.! Построение математических моделей, полученных на экспериментальных данных является наиболее перспективным направлением исследования прочностных свойств крут а.

С келью определения степени и характера влияния твердости высокопористых кругов закрытой структуры на их разрывную прочность был проведен ряД • испытаний. Результаты обработки экспериментальных данных по разрывной прочности образцов в виде "восьмерок" и значений глубины лунок, полученных при определении твердости кругов, изготовленных из тех же абразивных масс, что и испытуемые образцы, позволили получить линейные математические модели. Из большого количества была выбрана модель, характеризующаяся наибольшей адекватностью:

1пстр = 0,877- 0,5581пЫ (3.5.)

Установлено,' что прочность круга на растяжение связана с его твердостью приблизительно гиперболической зависимостью. Такая зависимость представлена на рис. З.2., из которого видно, что прочность высокопористых кругов закрытой структуры растет с увеличением их твердости.

Определение зависимости между твердостью круга и его прочностью на разрыв является весьма актуальной задачей при проектировании и разработке высокопористых кругов, предназначенных для высокопроизводительной обработки различных конструкционных сталей. Представленная математическая модель позволяет изготавливать круги, по характеристикам которых можно

Рис. а 2. Влияние твердости шлифовального круга на его разрывную прочность и рабочую скорость.

сказать, для обработки на каких скоростях эти круги предназначены. И наоборот, ■ зависимости от скорости шлифования возможно рекомендовать определенную твердость высокопористого круга. При этом, соответствие этой указанной твердости круга будет служить гарантом, что при заданной скорости высокопористый круг не разорвется.

Таким образом, повысить прочность шлифовального круга можно различными способами. Но. если при проектировании и изготовлении круга учитывать лишь требования повышения прочности круг», то можно получить инструмент, который будет способен вращаться на высоких скоростях. Однако, при этом он не будет удовлетворять требованиям по эффективной обработке металла. Поэтому необходимо всегда находить оптимальное сочетание между

-/é"

прочиостью круга и его режущей способностью.

Испытаниям на прочность вращением до разрыва на станках моделей СИИ 40 н СИИ 80 подвергались несколько партий опытных и промышленных образцов высокопорнстых кругов закрытой структуры из различных марок элсктрокорунда. Испытания проводились на оборудовании АГН-20 (г.Курск) И АО СИЗ-З (г. Саратов). В табл. 3.1. приведены значения окружных скоростей вращения инструмента, при которых он не разрывался. Указанные скорости не являлись предельно возможными для данных характеристик, но определить предельные значения рабочей скорости инструмента не всегда удавалось, вследствие ограничении технических возможностей испытательных стендов, не позволяющих увеличить частоту вращения (предельные числа оборотов для установок моделей СИИ 80 и СИП 40 соответственно 45000-80000 мцн 1). Как видно Из табл.3.1 испытательная скорость кругов колеблется в пределах 130...209 м/с (для кругов диаметром 50 мм) и 126...188 м/с - дли кругов диаметром 80 мм.

| Таблица 3.1

Значения испытательных скоростей высоконорнстых высокоскоростных кругов различных рецептур

Типоразмер Характеристика кругов Скорость испытаний, м/с 120...209 ~ Í23...Í68 126... 188 74.Г.82

ПП50х11...25x10...16 25А.91 А,95А 16...32 М2...СМ2 10...I4K5 ~24А,91Л.95А"«'Об М2...СМ2 Í0.7.HKS 24А.91 А.95А 12...У6 Ш...СМ2 10.7.12К5 24А 16. .25 М2.Г.ОТ2 I2K5

ГШ 60x12x20 ПП 80 х 15..Л 8 х 20 ГШ Í 35 х 20 х 52

Принимая во внимание, что круги при высокоскоростном шлифовании колец подшипников рассчитаны для работы на скорости 80 м/с и должны lio нормам безопасности выдерживать испытательную скорость не менее 120 м/с, следует отметить, что высокопорнстые круг и закрытой структуры по своим прочностным свойствам стабильно обеспечивают возможность высокоскоростного шлифования. Приведенные данные указывают на то, что некоторые рецептуры кругов обеспечивают возможность шлифования со скоростями резания до 140 м/с.

В четвертой главе приводится методика машинной оптимизации состава нысоко! юристых кругов.-

Абразивная масса такого инструмента формируется на основе применения одного или комбинации нескольких иевыгораюшнх

Лорообразователей, иногда в сочетании с выгорающим органический наполнителем. Сочетание в различных пропорциях различных по составу и размерам порообразователей позволяет варьировать в широком диапазоне эксплуатационными свойствами высокопористого инструмента: его пористостью или номером структуры, твердостью и ее рассеянием в объеме круга, разрывной прочностью, деформацией (усадкой) , что, в свою очередь, обеспечивает заданные требования условий обработки по производительности и качеству.

На основе математических моделей, вид которых приведен в гладах 2 и 3, разработана процедура и нро|рамма оптимизации состава абразивной массы для обеспечения требуемых эксплуатационных и технологических свойств инструмента. При разработке программы оптимизации, кроме вышеприведенных данных, использованы также экспериментальные данные, полученные в М1ТУ "Станкин" аспирантами Романенко A.M., Зубковым А.Б., Балкаровым Т.С. под руководством проф. В.К. Старкова.

Про1рамма дня заданного типоразмера инструмента на керамической связке, а также задаваемых значений по марке и зернистости абразивного материала, твердости, номеру структуры круга и его разрывной прочности расчетным путем определяет объемное и весовое соотношения всех исходных компонентов для одного круга или требуемой партии инструмента. В связи с тем, что задаваемые свойства инструмеита( твердость, ее рассеяние, деформация и разрывная прочность) могут быть получены при обеспечении различных сочетаний и количественных соотношений исходных компонентов абразивной массы, то окончательный выбор делается по минимуму затрат на изготовление высокопористого круга.

Диапазон возможного изменения оптимизируемых характеристик круга составляет: размер абразивного зерна из различных марок электрокорунда 80...500 мкм с его объемным содержанием в инструменте 20...50%; объемная пористость до 65% н выше; твердость от чрезвычайномигких (ЧМ) до среднетвердых (СТ) степеней.

В качестве эксплуатационных характеристик приняты: твердость по глубине лунки, подученной пескоструйным Методом, Ьл (мм), среднеквадратичное отклонение твердости С КО Ьл (мм), деформация или усадка круга после спекания е и разрывная прочность круга ар (Н/см2).

Модели связи эксплуатационных характеристик круга с параметрами его рецептуры представлены ш виде полиномов первой степени ш натуральной или логарифмической форме.

Широкий диапазон эксплуатационных характеристик высокопористого инструмента и большое количество возможных технологических решений в этой сипи предопределяет необходимость

- Ib -

постановки и решения задач оптимизации состава или рецептуры абразивной массы. Чрезвычайная сложность решения этой задачи оптимизации объясняется не только многовариантностью возможных комбинаций иорообразователей в сочетании с объемным содержанием абразивного зерна и связок различных марок, но также наличием естественных пор. Задача оптимизации усложняется за счет различного по степени и характеру влияний каждого отдельного порообразователя, их сочетаний и, наконец, всего состава абразивной массы в целом на техноло! ические свойства инструмента. Следует добавить, что отсутствуют аналоги постановки и решения подобного типа задач оптимизации не только для высокопористого, но и инструмента нормальной структуры.

Модель оптимизации рецепта использует следующие зависимости, построенные па основе экспериментальных исследований:

Нл = П (Уз, Vmc, Vct, Укф, Уев);

СКО Ьл = Г2 (Уз, Vmc, Vct, Укф, Vcb);

EPS = ГЗ (Уз, Vmc, Vct, Укф, Vcb);

SIGMA = 14 (Нл), ;

где Нл - глубина лунки, мм; i

СКО Ьл - среднеквадратическЬе отклонение Нл, мм;

EPS - усадка наружного диаметра круга после спекания, %;

SIGMA - прочность круга на разрыв, н/см2;

Уз - относительный объем зфна;

Vmc - относительный объем микросфер электрокорунда;

Vct - относительный объем стеклянных микросфер;

Укф - относительный объем косточек фруктовых;

Vcb • относительный объем связки.

Для оптимизации состава инструмента используется оптимизационная модель вида: í ГО (X) min i

при наложении технологических! ограничений в виде неравенств: П (X), [Нл] + Г2 (X); i fl(X), [Hnl -f2(X); > f3 (X) < [EPS]; S

. f4(X)> [SIGMA], !

где вектор X = (V3, Vmc, Vct, Укф, Vcb);

Поиск производится в области, задаваемой следующими неравенствами:

Vmc min, Vmc, Vmc max

Vct min, Vct, Vct max ♦

Укф min, Укф, Укф max Vcb min, Vcb, Vcb max

Значение Уз, определяемое заданной характеристикой инструмента, фиксировано. Допустимые значения для модели оптимизации, заключенные в квадратные скобки, и значения для (раниц области поиска определяются экспериментально или по литературным данным.

В качестве критерия оптимизации ГО (X), в зависимости от требовании, предъявляемых к инструменту, принимают либо стоимость компонентов шлифовального инструмента, либо стабильность его твердости , характеризуемой СКО Ьл.

, После проведения сравнительною анализа возможных вариантов постановки и специфики решаемой задачи онтнмншцни она была сформулирована следующим образом: определить оптимальный состав абразивной массы , стоимость входящих компонентов которой минимальны, а эксплуатационные свойства отвечают заданным требованиям.

В этом случае критерием оптимизации Ш (X) состава абразивной массы является ее стоимост ь:

C=V¿W 1-1

где ai - относительное объемное содержание компонента абразивной массы (зерно, связка, наполнители, декстрин жидкое стекло и т.д.), gi -их удельный »ее, Pi - их стоимость, V - iriVbeM шлифовального круга.

Результатом оптимизации является расчет навески всех компонент абразивнон массы и технология ее промышленного приготовления для заданной партии кругов. Разработанная про1рамма позволяет также производить расчет навески различных кругов уже известных рецептур как высокопорнстого, так и стандартного инструмента.

Использование процедуры миогопараметрической оптимизации позволяет разрабатывать рецептуры высокопористых кругов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами и их стабильностью.

В пятой главе содержатся результаты сравнительных производственных испытаний нового высокопористого инструмента и внедрения его в различных отраслях промышленности.

Проведение производственных испытаний на АО "Москвич" показало, что высоконорнешс круги закрытой структуры не уступают' по режущим свойствам кругам фирм ATLANTIC (ФРГ) и BAY STATE (Люксембург), а по производительности до 25% их превосходят. По сравнению с аналогами, применение разработанных высокопористых ' кругов, позволило устранить прижоги при шлифовании . что повысило качество обработанной поверхности ответственных деталей.

В производственных испытаниях ММ ПО "Чннмя революции" была проведена работа по подбору высокопористых кругом закрытой структуры взамен используемою стапдарнюго инструмента с нелыо повышения производительности, ликвидации прнжогов п уменьшения деформации при обработке деталей изделия УДО медицинской аппаратуры.

По заключению ММПО "Знамя революции" при применении новою инструмента улучшилось качество обработанных деталей, отсутствовал брак по прижогам и чрезмерной деформации заюювок. Стойкость инструмента в сравнении с серийным круюм (нормальной структуры и более высокой твердости ) увеличилась свыше 2,5 раз.

Применение в подшипниковой промышленности разработанных кругов также подтверждает их высокую эффективность. Испытания на 5 подшипниковых заводах нового инструмента с повышенной стабильностью свойств решает проблему повышения эффективности шлифования подшипников за счет увеличения скорости резаиня до 80 м/с н форсирования других параметров' режима обработки без ущерба для качестиа и точности обработанных деталей.

общи и выводы

1. В результате проведения комплекса исследований, производственных испытаний и внедрения решена актуальная задача повышения эффективности использования высокоиорнстых шлифовальных кругов за счет повышения стабильности нх эксплуатационных свойств путем оптимизации их состава.

2. Установлено, что степень влияния компонентов рецептуры на твердость круга уменьшается в такой последовательности: относительное содержание в объеме инструмента связки, абразивного зерна, электрокорундовых мнкросфер.

3. При заданных значениях твердости н пористости шлифовального круга, которые определяются конкретным ('одержанном зерна и связки, наиболее эффективным методом повышения стабильности твердости является изменение содержания в круге электрокорундовых мнкросфер. -Установлен», что при увеличении содержание злектрокорупдовых микросфер в круг с до 20% повышаете^ стабильность ею твердости по величине ГКО глубины лунки в 5,8 раз.

4. Установлено, что введение в состав круз а оптимальной суммарной объемной доли зерна и мнкросфер, оказывающей наиболее сильное влияние на деформацию круз а. обеспечивает получение кругов г минимальными деформациями после обжша. Разработаны рецептурц кругов, которые имеют ннжне значения величины деформации менее 1%. ■

5. Па разрывную прочность круга в большей степени оказывает влияние введение » состав круга стеклянных наполнителей, далее по степени влияния идут относительные содержания керамической связки, невыгорающнх микросфер и абразивного зерна (коэффициенты парной корреляции соответственно равны 0,58 , 040, 0,25 и 0,17).

6. Выявленная математическая связь между разрывной прочностью высокопорнсшх кругов закрытой структуры и их твердостью показывает, что чем выше твердость, тем больше разрывная прочность инструмента. Поэтому, те компоненты абразивной массы, которые способствуют увеличению твердости, повышают также разрывную прочность шлифовального круга.

7. Стабильность разрывной прочности по величине се СКО в отличие от среднего значения прочности в большей степени зависит от относительного содержания в круге связки (коэффициент парной корреляции 0,474), содержания корундовых микросфер (коэффициент парной корреляции 0,362) и, в меньшей степени, - от относительного содержания зерна и стсклянною наполнителя (коэффициент парной корреляции 0,215).

8. Рекомендации, основанные на полученных экспериментальных данных, обеспечивают изготовление шлифовальных, кругов со оруктурами 10... 14, которые не разрушаются при скоростях испытания до 209 м/с и более.

9. Практическим результатом применения методики оптимизации состава круюв, основанной на использовании критерия минимальной себестоимости абразивной массы с техническими о1рлпичениямн по величине СКО твердости, разрывной прочности и деформации инструмента, явилась разработка рецептур высокопористых кругов закрытой структуры, стабильно обеспечивающих требуемые производительность и качество обработки, в том числе при высокоскоростном шлифовании подшипников и др.

10. Лабораюрнммн и производственными испытаниями нового вмсоконорпсюго. И1 ктрумсн |д при круглом наружном и плоском шлифовании декшей из конструкционных сталей различного техническою назначения установлено, что в сравнении с известными аналогами пысокопорипых круюв, повышается коэффициент шлифования (в 1,2... 1,8 раз), а также стойкостная наработка ( до 2...3 раз) и производительность обработки (в 1,5,..2,5 раза). .

П. При шлифовании подшипников с рабочими скоростями 60...80 м/с. „ новый нпструмет позволил повысить производительность обработки до 44% за счет увеличения рабочих подач при гарантированном обеспечении высоко! о качеств обработки.

12. Разработанный высоко! юристый абразивный инструмент закрытой структуры с улучшенными эксплуатационными свойствами

внедрен на 5 заводах автомобильной, подшипниковой и авиационной промышленности.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях: (

I

1. Старков В.К., Кавин Д.Li. Оптимизация технологических свойств высоко пор истого абразивного инструмента./ Семинар: Алмазно-абразивная обработка при изготовлении деталей машино- и приборостроения,- М.: НТЦ Информтсхника, 1993. - с. 12-16.

2. Старков В.К., Кавин Д.Б. Эксплуатационные свойства высокопорнстого абразивного инструмента закрытой структуры./ Материалы научно-технического семинара: Повышение эффективности машиностроительного производства. -Н.Новгород, - 1993. -с. 145-146.

3. Старков В.К., Кавин Д.Б. Разработка высокопористых

шлифовальных кругов закрытой структуры. - Краснодар... (в печати).

j ;