автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического процесса изготовления шлифовальных головок с заданным режущим рельефом

гч.

5 8

со

О.

На правах рукописи

БОРДАШЕВ Кирилл Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЛИФОВАЛЬНЫХ ГОЛОВОК С ЗАДАННЫМ РЕЖУЩИМ

РЕЛЬЕФОМ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новгород - 1997

Работа выполнена в Новгородском Государственном Университете имени Ярослава Мудрого.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.А. Щеголев

Научный консультант - кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник Института химии силикатов РАН, Певзнер Б.З.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Воробьев Е.А. кандидат технических наук, профессор Схиртладзе А.Г.

Ведущая организация: ОАО ПК "СПЛАВ", г. Новгород.

Защита состоится '<?/" а-ср^^л 1997 г. в /У ч. 3<? мин. на заседании специализированного диссертационного Совета К064.32.04 при Новгородском государственном университете им. Ярослава Мудрого по адресу: 173003, г. Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета.

Автореферат разослан "/?' 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного.

совета, к.т.н., доцент ■^упл^-е-^--'.,-^ А.И. Косенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время значительная часть шлифовальных; головок представлена' головками с однослойными гальваническими алмазно-никелевыми покрытиями. Такие инструменты имеют более высокие эксплуатационные характеристики, чем объемные, получаемые методами прессования, и могут быть изготовлены в более широком диапазоне типоразмеров. При этом высокие стоимость и дефицитность применяемых материалов и низкая производительность гальванического процесса обуславливают высокую себестоимость инструментов. Снижение себестоимости изготовления шлифовальных головок является важной задачей, актуальность которой непрерывно возрастает в связи с широким их использованием в стоматологии, где к инструменту предъявляется требование одноразовости, обусловленное распространением вирусных заболеваний.

Не менее важной задачей, касающейся абразивных инструментов вообще, и шлифовальных головок в частности, является повышение их эксплуатационных характеристик на основе управления строением их режущего слоя. Хаотичное расположение зерен абразива в связке относительно рабочей поверхности инструмента, близкое их взаимное расположение, обусловленные технологией изготовления инструмента, не позволяют в полной мере использовать режущие свойства шлифовального материала, способствуют засаливанию режущей поверхности, повышению теплонапряженности процесса резания. Геометрическая ориентация зерен и их расстановка с заданными межзерновыми расстояниями способствует улучшению показателей обработки, снижению затрат на абразивные материалы. Однако в специальной литературе отсутствуют данные, относящиеся к решению данной проблемы применительно к шлифовальным головкам.

Изложенное свидетельствует об актуальности данной работы, направленной на разработку и исследование способа изготовления шлифовальных головок, позволяющего управлять строением их режущего слоя и использовать материалы и методы воздействия, способствующие снижению себестоимости продукции.

Целью работы является снижение себестоимости и повышение эксплуатационных характеристик шлифовальных головок.

Общая методика исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические

исследования выполнены на базе научных основ теории шлифования, физики диэлектриков и теории электростатики, аэродинамики псевдоожиженных зернистых слоев, теоретической механики, аппарата теории вероятностей и математической статистики с широким использованием численных методов, реализованных в виде программ для ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с законами планирования эксперимента на специально разработанных и созданных автором экспериментальных установках.

Научную новизну исследований составляют:

процесс нанесения заданного абразивного рельефа на корпуса шлифовальных головок из взвешенного воздушным потоком слоя абразива в присутствии неоднородного электростатического поля;

- модель процесса нанесения заданного абразивного рельефа на корпуса шлифовальных головок, отражающая влияние основных технологических факторов на его параметры;

- научно-обоснованная методика проектирования стеклоабразивных покрытий шлифовальных головок, включающая выбор материалов и определение его геометрических характеристик;

- зависимости процесса обработки шлифовальными головками с заданным режущим рельефом от его параметров.

Практическая ценность заключается в разработке:

- способа нанесения ориентированных абразивных зерен с заданной концентрацией на корпуса шлифовальных головок;

- вычислительной программы для расчета параметров наносимого абразивного рельефа в зависимости от основных технологических факторов;

- способа и технологии изготовления однослойных шлифовальных головок с заданным режущим рельефом на стеклоэмалевой связке, позволяющих значительно снизить себестоимость инструментов;

практических рекомендаций по выбору материалов для стеклоабразивных покрытий шлифовальных головок.

Высокая эффективность новых технологических процессов подтверждена результатами испытаний, опытно-промышленной партии шлифовальных головок. /

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке опытно-промышленной технологии изготовления шлифовальных головок с заданным режущим рельефом на

стеклосвязке в НовГУ. Испытания опытно-промышленной партии инструментов в Новгородской областной стоматологической поликлинике и на заводе "Квант" показали их высокую эффективность и рекомендованы к использованию.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 1,2,3,4 научных конференциях преподавателей, сотрудников и студентов НовГУ ( Новгород, 1994, 1995, 1996, 1997 гг.); на 16 совещании по защитным покрытиям ( С.-Петербург, 1995 г.); на научно-технической конференции "Современные технологии в машиностроении" ( Пенза, 1996 г.); на Международной научно-технической конференции "Технология - 96" (Новгород, 1996). Результаты работы были представлены на открытом смотре-конкурсе научно-технических идей (Новгород, 1996).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ. Из них две разработки признаны изобретениями.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов, библиографического списка из 112 наименований, шести приложений. Содержит 144 страницы основного текста, поясняемого 56 иллюстрациями и 18 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, а также содержится краткое изложение основных научных результатов, выносимых на защиту.

В первой главе проведен анализ номенклатуры, способов изготовления и областей применения шлифовальных головок, рассмотрены способы получения однослойных абразивосодержащих покрытий шлифовальных инструментов, пути повышения эксплуатационных характеристик ; таких инструментов и способы их реализации в технологических процессах изготовления.

Наиболее распространенный класс многослойных шлифовальных головок имеет ряд недостатков при обработке мягких и вязких материалов: недостаточно высокая режущая способность; склонность к засаливанию режущей поверхности и отсутствие эффекта самозатачивания, обуславливающие необходимость частых правок.

Инструменты с однослойными абразивосодержащими покрытиями в значительной мере свободны от вышеперечисленных недостатков. Теории и

практике нанесения такого рода покрытий посвящены работы Прудникова Е.Л., Байкалова А.К., Борисенко А.И., Гринева В.Ф., Кизикова Э.Д., Фрагина И.Е., Щеголева В.А., Тимофеева В.В. и др. Анализ данных работ показал, что подавляющее большинство известных методов, в том числе и наиболее распространенный в отечественной абразивной промышленности способ гальванического закрепления алмазных зерен никелем, имеют крупные недостатки, обусловленные низкой производительностью, сложностью технологического процесса, высокой стоимостью материалов. Нанесение абразивосодержащих покрытий методами порошково-обжиговой технологии на стеклоэмалевых связках позволяет избежать вышеперечисленных недостатков.

Исследования, проведенные Лавровым И.В., Зайцевым А.Г., Паламаром О.О., Ли-Чан-Цзе и другими исследователями, показали, что зерна шлифовальных материалов, получаемые механическим дроблением, имеют вытянутую форму с отношением наибольшего размера к наименьшему около 1,5. При этом вершины зерен, принадлежащие наибольшей оси, имеют наиболее благоприятные режущие характеристики, что позволяет при соответствующей их ориентации наиболее полно использовать абразивные свойства шлифматериала и улучшить характеристики инструмента. Также значительному повышению характеристик абразивных инструментов способствует управление концентрацией зерен на их поверхностях. Одновременное решение задач ориентации зерен и расположения их с необходимыми межзерновыми расстояниями позволяет реализовывать заданный абразивный рельеф инструмента. Вопросам разработки

технологий изготовления абразивных инструментов с заданным режущим рельефом и исследованию их характеристик посвящены работы Зайцева А.Г., Зайцевой М.А., Ящерицына П.И., Морозова В.И., Щеголева В.А.,Виксмана Е.С., Спивака В.Е. и др. Анализ исследований показал, что управление режущим рельефом способствует:

- увеличению числа активных режущих зерен;

- уменьшению засаливаемости режущей поверхности;

- снижению температуры, усилий и мощности резания;

- обрабатываемости мягких и вязких материалов;

- повышению производительности обработки;

- снижению удельного расхода абразива.

Однако разработанные методы управления режущим рельефом не могут быть с достаточной эффективностью использованы при изготовлении

шлифовальных головок в связи с особенностями формы и размеров их рабочих поверхностей. В то же время для данного класса абразивных инструментов этот вопрос стоит наиболее актуально вследствии низкого ресурса, обусловленного сравнительно малой величиной их поверхности.

На основании вышеизложенного и в соответствии с поставленной целью были определены основные задачи работы следующим образом:

1) разработать способ нанесения заданного абразивного рельефа на корпуса шлифовальных головок;

2) разработать теоретическую модель процесса нанесения, отражающую влияние основных технологических факторов на параметры абразивного рельефа;

3) исследовать теоретически и экспериментально процесс нанесения заданного абразивного рельефа;

4) разработать и реализовать новую технологию изготовления шлифовальных головок с заданным режущим рельефом, использующую широкодоступные материалы и высокопроизводительные методы воздействия;

5) экспериментально исследовать влияние параметров режущего рельефа шлифовальных головок на их эксплуатационные характеристики.

Вторая глава посвящена вопросам разработки и моделирования процесса нанесения заданного абразивного рельефа однослойных шлифовальных

С целью повышения эксплуатационных характеристик шлифовальных головок нами разработан и запатентован способ нанесения на их поверхности заданного абразивного рельефа, заключающийся в воздействии неоднородного электростатического поля на взвешенный воздушным потоком слой абразивных зерен.

Нанесение абразива осуществляют в рабочей камере 1, представляющей собой цилиндрическую трубу из диэлектрического материала, в которой установлена пористая перегородка 2 с насыпанным на ней слоем порошка абразивного материала. Для создания электростатического поля к высоковольтному источнику питания 3 подключают систему коаксиальных цилиндрических электродов, один из которых, являющийся корпусом инструмента 4, располагается внутри рабочей камеры, а

головок.

±г

] воздух Рис.1 Схема процесса нанесения заданного абразивного рельефа

4

другой, большего диаметра 5 - снаружи. Данная система электродов устанавливается на некотором расстоянии выше перегородки с абразивом. Для нанесения зерен снизу через перегородку подают импульсный поток воздуха, в результате чего в межэлектродном пространстве образуется взвешенный слой частиц абразива.

Взвешенные зерна абразива, поляризуясь в электростатическом поле, испытывают со стороны последнего действие сил, стремящихся развернуть их наибольшими осями вдоль линий напряженности поля, и силы, втягивающей их в область поля с большей напряженностью. В результате на поверхности корпуса осаждается слой ориентированных зерен. Для осаждения зерен на корпусе его рабочая часть должна быть покрыта слоем связующего, обеспечивающего их прилипание и удержание в ориентированном положении. Описанный способ, в отличие от известных, позволяет наносить не только диэлектрические материалы, но и проводящие.

Процесс нанесения зерен происходит в течении долей секунды, а его производительность определяется временем, необходимым для загрузки корпуса головки в рабочую камеру.

Разработанный способ позволяет не только ориентировать зерна, но и управлять их концентрацией на поверхности инструмента. Концентрация нанесенных зерен определяется размерами системы электродов, напряжением между ними, и объемной концентрацией зерен во взвешенном слое в зоне рабочей части корпуса,

Основываясь на данных различных исследований структуры псевдоожиженных зернистых слоев, а также используя закон сохранения количества зерен при переходе от неподвижного слоя к взвешенному, нами получена зависимость объемной концентрации взвешенных зерен от действующих факторов:

n = lzle4w.)) (1)

V,

где у - порозность взвешенного слоя; уо - порозность неподвижного слоя (равна 0,4); V) - объем одного зерна, определяемый зернистостью абразива; z -расстояние от перегородки с абразивом до рабочей части корпуса; L - высота неподвижного зернистого слоя в рабочей камере.

Порозность взвешенного слоя, определяющая объемную долю пространства, не занятого зернистой фазой, рассчитывается по формуле из работ М.Э. Аэрова и О.М. Тодеса:

У =

Ш

Аг

(2)

где Аг=ё " —— - критерий Архимеда; v - кинематический коэффициент

вязкости потока; g - ускорение свободного падения; рт - плотность материала

зернистой фазы; р - плотность потока; а? - характерный размер зерен; и -

скорость воздушного потока.

Используя основные закономерности электростатики и физики

диэлектриков получены формулы для расчета силы и момента сил,

действующих на единичное зерно абразива в виде идеального диэлектрика

эллипсоидальной формы в идеальном стационарном электростатическом поле:

/ \ 1 1

М = е0(£-1)УЕ\

1+(г-1)Мс 1 + (г-1)На

бш2 <р г

2

СОБ ф

■ 2

эш <р

(3)

(4)

а У

где £0 - электрическая постоянная; е - диэлектрическая проницаемость абразивного материала; Ео - напряженность внешнего поля; Е, - напряженность поля в диэлектрике; V - объем зерна; ср - угол между направлением линий напряженности поля и наибольшей осью зерна; Ыс и Иа- значения деполяризующих факторов для расположения зерна большей и меньшей осью вдоль линий напряженности соответственно.

На основании полученных зависимостей составлена система дифференциальных уравнений, описывающая плоскопараллельное движение зерна в поле коаксиальных цилиндрических электродов под действием момента сил и силы:

сЛр

£р(£ —1)5 ( 1 1 | . „

—4т----Б1п2ф

а2+с2 и + (е-1)Кс 1 + (е-1)Ыа;

и

И. 9 1 , К 1п — + — 1п — И

а2г _ е0(е-1)

соэ2 ф

Э^Х!2 ф

р 0 +

и2

(5)

Я

Г, £

кУ

'я,

ц ь2

где Ео - электрическая постоянная; е,р - соответственно диэлектрическая проницаемость и плотность материала зерна; ¿2 - диэлектрическая проницаемость материала рабочей камеры; г - текущая радиальная координата;

г} - радиус внутреннего электрода; Я2 - внутренний радиус рабочей камеры; К -радиус наружного электрода; и - напряжение между электродами; а, с - малая и большая полуоси зерна; <р- угол между направлением линий напряженности поля и наибольшей осью зерна; Ыа и Ыс - значения деполяризующего фактора при расположении диэлектрического эллипсоида наибольшей осью соответственно вдоль и поперек линий напряженности поля.

Данная система уравнений положена в основу разработанной модели процесса нанесения абразива. Модель исходит из следующих допущений:

- влияние электростатического поля на процесс формирования взвешенного слоя не учитывается;

- процесс нанесения рассматривается как квазистационарный, т.е. к началу нанесения все зерна представляются неподвижно взвешенными в межэлектродном пространстве;

- концентрация зерен во взвешенном слое является постоянной в диапазоне, определяемом длиной рабочей части корпуса шлифовальной головки;

- при движении зерен не учитывается сопротивление среды;

- не учитываются никакие возможные взаимодействия между зернами в процессе их движения к корпусу.

Модель процесса реализована в виде программы для ЭВМ. Программа моделирует методом Монте-Карло случайное расположение зерен в межэлектродном пространстве, а затем имитирует их движение к внутреннему электроду путем численного интегрирования системы уравнений (5) по алгоритму Рунге-Кутта. При этом учитываются возможные столкновения зерен с уже осажденными. Результатом работы программы являются значения концентрации нанесенных зерен и статистических характеристик (мат. ожидание и стандарт) их угла ориентации. Влияние игнорируемых моделью особенностей реального процесса учтено путем замены в системе (5) времени процесса его эффективным значением, величина которого калибровалась путем согласования расчетных данных с данными натурного эксперимента.

Расчеты по программе и обработка полученных данных позволили установить, что воздействие электростатического поля приводит к трансформации равновероятного закона распределения углов ориентации зерен во взвешенном слое в нормальный закон для осажденных зерен. При этом независимо от уровней технологических факторов статистический стандарт уменьшается примерно в 2 раза.

На рис.2, приведены полученные с помощью модели графики зависимостей концентрации осажденных зерен абразива зернистости N12 от основных технологических факторов, в качестве которых рассматриваются: напряжение между электродами и, исходная высота неподвижного слоя абразива Ь, расстояние от корпуса до перегородки с абразивом Ъ и скорость воздушного потока V.

п, мм

30 00'

20 002

10 000 00-

—- ч 1 1

\ У-165 см/с, — и=зооо В, Ь=1мм

\

к

V

30 00-

25 00

20 00-

п, мм

,-2

15 00-

/

/

/

/

/ У= 170 см/с,

/ 2-35 мм

/

/ |

0 00 14 0012 00-

20 00 40 00 60 00 Z, мм

10 00' 2

8 006 004 00-

/

/

/

/ Ь-1мм, г-40мм, — п=ято в

/

/

|

10 001000 2000 3000 4000 5000 6000 и, В

30 00-

п, мм

20 00--г

10 00

ООО-

ОЗООО в,

4=170 см/с, 2=35 мм

155 0 160 0 165 0 170 0 175.0 V, см/с

0.00 100 2 00 3 00 4 00 Ь, мм

Рис.2. Зависимости концентрации нанесенных зерен от основных технологических факторов.

п. мм

Третья глава посвящена разработке технологии изготовления и методики проектирования шлифовальных головок со стеклоабразивными покрытиями и заданным режущим рельефом.

Разработан и запатентован способ изготовления шлифовальных головок с заданным режущим рельефом на стеклоэмалевых связках, включающий в себя два этапа: нанесение заданного абразивного рельефа; окончательное его закрепление. Для прикрепления зерен на первом этапе используется расплав

стеклоэмали на рабочей поверхности корпуса головки, для чего установка по рис.1. дополняется двумя трубчатыми печами, из которых одна нагревает абразив, покоящийся на перегородке, а другая - рабочую часть корпуса до температуры обжига стеклоэмали. Окончательное закрепление нанесенных зерен осуществляется также при помощи стеклоэмали, наносимой методом окунания, и имеющей температуру обжига более низкую, чем у прикрепляющего подслоя.

Качество стеклоабразивных покрытий, нанесенных на металлический корпус, определяется в значительной степени уровнем остаточных технологических напряжений, возникающих при охлаждении после обжига вследствии различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов стекломатрицы и абразива с одной стороны и композиционного стеклоабразивного материала и металла корпуса с другой.

Разработана методика проектирования стеклоабразивных покрытий шлифовальных головок, включающая следующие этапы: выбор материалов абразива и корпуса; выбор ТКЛР эмали; выбор геометрических характеристик инструмента, а именно зернистости абразива и диаметра корпуса. В основу методики положен оценочный расчет напряженного состояния систем зерно-стекломатрица и корпус-стеклоабразивное покрытие по формулам из работ Л.Г. Генипа и М.Л. Любимова:

чЗ

Orr - _ I + ^, (аа -аэ)ДТЕ.

а0с :

3(1-,) 1 + ц

1

)ДТЕ:

з(1-^Г a

Езф(ам-азф)ДТ

l-2|iU

1

1 — 2|J. V г,

1 + (j. 1

"l+M-

2ц - В + С(1 - 2ц)

2Е

эф Vй м

' 9п

2р. - В + С(1 - 2ц) Еэф(ам -аэф)ДТ

В-С

1-е

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2ц - В + С(1 - 2ц)

где: агс _ аес - радиальная и тангенциальная составляющие напряжений в стекломатрице;огп, оеп> сг2П - радиальная, тангенциальная и осевая составляющие напряжений в покрытии; Е3 - модуль упругости эмали; ц -коэффициент Пуассона; га - радиус зерна; гс - половина расстояния между центрами зерен; аэ, аа - ТКЛР эмали и абразива; АТ - разность между

температурой стеклования эмали и комнатной; Е3ф, аэф - эффективные модуль упругости и ТКЛР композиционного покрытия; В=1+(гп/гм)2; С=ЕЭф(1-(гп/гм)2)/Ем; гп - радиус покрытия; гм - радиус корпуса; ЕМ) аи - модуль упругости и ТКЛР материала корпуса.

Эффективные значения ТКЛР и модуля упругости стеклоабразивного покрытия определяли по формулам из работы Кингери У.Д., рассматривая его как однородный слой с усредненными свойствами относительно свойств составляющих его фаз, в данном случае эмали и абразива:

ЕэФ=£Е1У1;

1 (п \ 00,(12)

где - а, - ТКЛР ¡-й фазы; Е, - модуль Юнга ¿-й фазы;К=Е/3(1-2|д) - коэффициент всестороннего сжатия 1-й фазы; V,- объемная доля ¡-й фазы.

На основании предложенной методики, проведенных дилатометрических исследований ряда материалов и практического опыта по нанесению стеклоабразивных покрытий рекомендовано для изготовления шлифовальных головок использовать в качестве шлифматериала карбид кремния и корунд, в качестве материала корпуса - титановый сплав ВТ-1 и коррозионно-стойкую хромистую сталь 20X13. Для данных сочетаний подобраны четыре марки промышленных стеклоэмалей с необходимыми дилатометрическими свойствами.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям разработанного процесса нанесения абразива и испытаниям шлифовальных головок с заданным режущим рельефом.

Для проведения экспериментальных исследований процесса нанесения абразива и изготовления опытно-промышленной партии шлифовальных головок была спроектирована и изготовлена установка, позволяющая в необходимых пределах варьировать технологическими факторами. После проведения трех дробно-факторных экспериментов 24'1 для нанесения абразива электрокорунда белого зернистостей N 12,16 и 25 и обработки результатов получены следующие следующие экспериментальные зависимости концентрации нанесенных зерен от исследуемых факторов:

п= 13 +3,7и + 5Ь+2У- 1,9г+ 1,бЦЪ+ \,6У2, (13)

п = 9,4 + 2,511 + 3,бЬ + 1,1V - 1,22+ 1,04ЦЬ + \,МЧ2 - 1,09Ш - 1,09ЬУ, (14) п = 3,9 + 1,Ш+ 1,52Ь+ 0,35У- 1,2Е2 + 0,43иЪ + 0,43Уг - 0,ЗЗШ -0,ЗЗЬУ (15)

Графическая интерпретация зависимостей для абразива зернистости N12 приведена на рис.3. Здесь же пунктиром показаны зависимости, полученные путем расчета по теоретической модели.

20 00

16 00

П, мм"2 12 00

8 00

16.00 2

п, ММ 12 00

8 00-

U-27S0B, Z.-35MM, L-1125 мм

18 0016 00

п, мм

14 00

2

12 0010 008 00-

-■7\

ж.

0

L0-1125 мм, V-167 см/с, Z-35mm

) 1 1 1 ' i ' I 1 I

0 60 0.80 1.00 120 140 1.60 L, мм

1500 2000 2500 3000 3500 4000 U, В

20 0016 00-п, мм'2

12 00-

U=í 2750 V-- В, L 167 -11 см/ 25м 'с м,

ч. \

160 0 164.0 168.0 172 0 176 0 25 00 30.00 35 00 40 00 45.00

V, см/с Z, мм

Рис.3. Экспериментальные зависимости концентрации зерен от

технологических факторов.

Удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных позволило сделать вывод об адекватности теоретической модели реальному процессу.

Для испытаний разработанных инструментов была использована стандартная методика испытаний алмазно-никелевых стоматологических головок на надежность, использующая схему упругого шлифования с постоянным усилием прижима образца обрабатываемого материала к инструменту. Данная схема была реализована на специально сконструированной и изготовленной установке, позволяющей установить частоту вращения головки до 12000 об/мин. В качестве базовой модели, согласно методике, была принята головка с цилиндрической рабочей поверхностью диаметра 2,5 мм и абразивом зернистости N 12. Для испытаний

были изготовлены головки с ориентированными зернами 25, 50, 75 и 100 %-й концентрации и головки со случайной ориентацией зерен (СО).

Эффективность инструментов оценивалась с помощью следующих показателей: режущая способность нового инструмента СЬ; период стойкости Т; производительность Б. Инструменты испытывали при обработке стали У8, закаленной до 64 ЬЖС, и технического оргстекла.

С целью сокращения временных затрат использовались статистические методы ускоренных испытаний, разработанные в теории надежности.

В табл.2, представлены сравнительные характеристики инструментов различных типов.

Таблица 2.

.. Тип инструмента Показатель

Оо при обработке Т при обработке Р при обработке

стали, мг/мин оргстекла, мм3/с стали, мин оргстекла, мин стали, мг оргстекла, мм3

- 25% 1,9 3,8 4,4 25,6 6,8 5,2

50% 2,8 3,97 6,2 32,2 12,7 8,03

75% 4,5 3,97 8,7 27,4 17,4 6,83

100% 4,7 3,96 12,3 22,3 22,9 5,56

СО 2,6 3,31 8,4 17,4 19,2 2,9

Влияние концентрации ориентированных зерен на производительность обработки показана графически на рис.4.

п, 1/мм2

Рис.4. Зависимости производительности инструментов от концентрации зерен.

Полученные данные свидетельствуют, что за счет ориентации зерен показатели обработки увеличиваются в 1,2 - 1,8 раз' как при шлифовании закаленной стали, так и оргстекла. При обработке стали наилучшие показатели имеют инструменты с 100% -й концентрацией, в то время как для обработки оргстекла целесообразно использовать инструменты с меньшей концентрацией.

Производственные испытания опытно-промышленной партии головок проводили в Новгородской областной стоматологической поликлинике и на телевизионном заводе "Квант". Испытывались головки диаметром 1,5 мм с абразивом зернистости N10 на терапевтических операциях обработки твердых тканей зуба и фасонные головки диаметром 12 мм с абразивом зернистости N16 на зуботехнических операциях шлифования пластмассовых протезов на зубоврачебных машинах с частотой вращения привода 10000-40000 об/мин. При обработке твердых тканей зуба период стойкости головок составил 3-6 мин. машинного времени, что определяет возможность их использования в качестве инструментов одноразового действия. Значительный эффект может быть получен при использовании головок на зуботехнических операциях, где их стойкость значительно превышает стойкость стандартных объемных головок даже при возможной периодической правке последних.

На заводе "Квант" испытывались головки диаметром 4 мм с абразивом зернистости N 16 при планетарном шлифовании отверстий в деталях из закаленной стали и алюминия на координатно-шлифовальном станке фирмы "HÄUSER" при частоте вращения шпинделя 50000 об/мин без СОЖ. Установлено, что головки с ориентированными зернами с высокой эффективностью шлифуют алюминий, в то время как обработка такого материала стандартными инструментами (как объемными, так и однослойными алмазно-никелевыми) без СОЖ невозможна.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Разработан способ нанесения заданного режущего рельефа на корпуса шлифовальных головок, позволяющий ориентировать зерна абразива и управлять их концентрацией на поверхности. В основу способа положено воздействие неоднородного электростатического поля на зерна абразива, взвешенные в межэлектродном пространстве импульсным воздушным потоком.

2. Проведен анализ влияния основных технологических факторов на концентрацию зерен в режущем слое инструмента. К ним относятся: исходная высота неподвижного слоя абразива в рабочей камере; расстояние от корпуса

головки до решетки, поддерживающей абразив; скорость воздушного потока; напряжение между электродами.

3. С использованием основных положений аэродинамики псевдоожиженных зернистых слоев, электростатики, физики диэлектриков, теоретической механики и методов компьютерного моделирования разработана теоретическая модель процесса нанесения заданного релсущего рельефа, отражающая влияние основных технологических факторов на параметры режущего рельефа.

4. В результате проведенных экспериментальных исследований процесса нанесения абразива при использовании планирования эксперимента получены модели, хорошо согласующиеся с теоретическими зависимостями, что свидетельствует о достоверности , разработанной теоретической модели процесса.

5. Разработан и реализован технологический процесс изготовления однослойных шлифовальных головок с заданным режущим рельефом при использовании в качестве связующих для закрепления зерен абразива силикатных стеклоэмалей. Разработанный технологический процесс характеризуется высокой производительностью, низкой энергоемкостью , малой себестоимостью и широкой доступностью применяемых материалов, возможностью автоматизации и не требует для освоения дорогостоящего специализированного оборудования.

6. Разработана методика проектирования шлифовальных головок со стеклоабразивными покрытиями. На основании предложенной методики и проведенных дилатометрических исследований даны рекомендации по выбору материалов, обеспечивающих получение работоспособных покрытий.

7. Испытания шлифовальных головок, изготовленных по разработанной технологии, показали, что за счет ориентации зерен при обработке различных материалов возможно повышение показателей обработки в 1,2-1,8 р. При обработке мягких материалов за счет управления концентрацией зерен возможно повышение показателей в 1.4-1,5 р.

8. Испытания опытно-промышленной партии шлифовальных головок показали, что они могут с высокой эффективностью применяться как на операциях обработки деталей машин и приборов, так и в стоматологии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бордашев К.А. Абразивные инструменты с однослойными абразивосодержащими покрытиями. - Новгород, 1994. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.12.94., N 3004 -В94.

2. Методика расчета числа зерен в абразивосодержащих покрытиях шлифовальных головок /Бордашев К.А., Борисов A.B., Филатов C.B., Щеголев В .А. // - Новгород, 1995. - 5 с. - Деп. в ВИНИТИ 26.04.95., N 1186 - В95.

3. Бордашев К.А., Тимофеев В.В., Щеголев В.А. Способ управления рельефом рабочих поверхностей шлифовальных головок// Современные технологии изготовления и сборки изделий: Респ. междувед. науч.-техн. сб./ С.-Пб., ПИМаш, 1995. - с.9-11.

4. Патент N 2080984 РФ, МКИ B24D 18//00. Способ нанесения абразивных зерен на корпус инструмента/ Бордашев К.А., Щеголев В.А., Тимофеев В.В. (РФ). -2 с.

5. Новые технологии изготовления стоматологических абразивных головок/ Бордашев К.А.. Тимофеев В.В., Филатов C.B., Щеголев В.А.// Научно-техническая конференция "Современные технологии в машиностроении" : сб. мат. - Пенза, 1996. - с.94.

6. Бордашев К.А. Исследования условий нанесения абразива в электростатическом поле из псевдоожиженного слоя // Международная научно-техническая конференция "Технология-96": науч. тр. - Новгород, 1996. - 4.1, с.72-73.

7. Положительное решение по заявке N 95118772/02 от 30.07.96. Способ изготовления абразивного инструмента/ Певзнер Б.З., Щеголев В.А., Тимофеев В.В., Бордашев К.А.

8. Бордашев К.А., Щеголев В.А. Моделирование процесса нанесения заданного режущего рельефа на корпуса шлифовальных, головок// сб. аспирантов и студентов НовГУ. - 1997. - с. 35.

9. Бордашев К.А., Певзнер Б.З., Щеголев В.А. Стеклоабразивные покрытия с ориентированными зернами для шлифовальных головок// Стекло и керамика. - 1997. -N 6. - с. 27-30.

10. Щеголев В.А., Тимофеев В.В., Филатов C.B., Бордашев К.А. Новые связки для абразивных инструментов// Проблемы машиностроения и автоматизации (междунар. жур.). - 1995. - N 5-6. - с. 55-57.

11 Бордашев К.А., Щеголев В.А. Абразивные стоматологические головки с ориентированными зернами // сб. аспирантов и студентов НовГУ. - 1996. - с. 20.