автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Совершенствование системы очистки СОТС на базе устройств рекуперации и классификации зерен СТМ с целью повышения эффективности при шлифовании деталей из хрупких неметаллических материалов

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Шурыгин Алексей Юрьевич

Совершенствование системы очистки СОТС базе устройств рекуперации и классификации зерен СТМ с целью повышения эффективности при шлифовании деталей из хрупких неметаллических материалов

Специальное 1ь: 05.03.01 - Техно юг ии и оборудование механической и физико-технической обработки.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2005

Работа выполнена в Арзамасском политехническом институте Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

член-корреспондент АТН РФ, доктор технических наук, профессор Сорокин В.М. кандидат технических наук, доцент Глебов В.В.

доктор технических наук, профессор Рыкунов А.Н.

кандидат технических наук, доцент Лаптев И.Л.

Ведущее предприятие'

ОАО Арзамасский приборостроительный завод г. Арзамас.

Защита состоится " 2 " 2005 г. в часов на заседании дис-

сертационного совета Д212.165 09 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, I. Н. Новгород, ул. Минина, 24, ауд.1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственною технического университета

Авторефера! разослан 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических чаук, доцент Б В Устинов

<£04?

зичът

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из способов повышения качества обработки, проводимой абразивным инструментом, является очистка используемых при этом смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Особенно остро эта проблема стоит при скоростном и глубинном шлифовании труднообрабатываемых материалов, а также при обработке хрупких неметаллических материалов (неорганических стекол, си галла, керамики и др), где очистка СОТС от шлама (продуктов обработки материала заготовки и износа шлифовального инструмента) в бо тьшинстве случаев проводится непрерывным центрифугированием в системах очистки в составе применяемого оборудования и абразивные зерна не подлежат дальнейшему использованию Однако, как показывает практика, преобладающая час!ь вырванных из связки инструмента абразивных зерен практически мало изменяет свои геометрические параметры Следовательно, при наличии достаточно надежной возможности разчеления шлама на фракции абразивный материал мог бы повюрно использоваться при изготовлении шлифовальных инструментов Указанное для ряда промышленных стран мира является основным ис!очником получения зерен сверхтвердых материалов (СТМ) и из-I отовления абразивных инструментов.

Анализ показывает, что применяемые в промышленности методы очистки СО ГС и способы разделения шлама (химический, магнитный, электростатический и др) на фракции используются как отдельные самостоятельные процессы. Причем последние применяются в основном при исследованиях износа абразивных инструментов, чго вызвано технической сложностью обеспечения этих процессов в производстве изделий, большим объемом работ, низкой производительностью и, следовательно, значительными затратами людских и материальных ресурсов Кроме того, большинство и$ них недостаточно эффективны как по обеспечению параметров очистки СОЮ, так и характеристик качества (Яи, к„,р, К^ф) обработанной поверхности, особенно при обработке хрупких неметаллических материалов Полее перспективными с этих позиций являкмея совмещенные процессы непрерывной очистки СОТС, извлечения (рекуперации) и классификации (разделения на зерно; зерен СТМ непосредственно в составе технологического оборудования, исключающие переработку шлама и связанные с этим трудоемкие операции вне технологического оборудования, а также обеспечивающие более высокие показатели качества обработки и производительности. Поэтому исследования в этом направлении являются весьма актуальными.

Настоящая работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ кафедр «Технология машиностроения» АрзПИ и НГ'ГУ и договорам по сотрудничеству с предприятием «Темп-АВИА» (г. Арзамас).

Целью работы является совершенствование системы очис!ки СОТС на основе разработки новых схем и конструкций устройств для совмещенных процессов извлечения абразивных зерен и классификации их по группам зернистости для повторного использования в производстве новых инструментов, а гакже повышения качества и производительности обработки изделий из хрупких неметаллических материалов.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи-

1. На основе анализа теории гидродинамических и физико-химических процессов математически описать процесс извлечения из рабочей жидкости абразивных частиц и разделения их по размерным группам и предложить рациональные схемы устройств, входящих в состав системы очистки СОТС технологического оборудования, которые обеспечивали бы качественное извлечение и классификацию абразивных зерен в заданном диапазоне зернистости при заданной производительности устройств и повышение качества обрабатываемых изделий из хрупких неметаллических материалов.

2 Построить обобщенную математическую модель процессов рекуперации из СОТС и классификации абразивных зерен и на этой основе разработать более эффективные конструкции устройств, обеспечивающие требуемую производительность и качество процессов.

3 Экспериментально проверить технологические возможности разработанных устройств для рекуперации и классификации абразивного материала в прямоточном режиме очистки СОТС, а также влияние их на параметры качества обработанных поверхностей изделий из неорганических стекол и ситалла.

4 Оптимизировать конструктивно-технологические параметры устройства для рекуперации и классификации абразивного материала из СОТС и выявить их влияние на границы диапазона размеров извлекаемых абразивных зерен.

5. Разработать методику для инженерного расчета конструктивно-технологических параметров предложенного устройства и процессов извлечения, классификации и очистки СОТС с его использованием

Объекты и Методика исследований

Основными объектами экспериментальных исследований явились системы очистки СОТС в составе шлифовального технологического оборудования, реальные детали из неорганических стекол марок типа К108, КУ-1, КУ-2 и ситалла СО-115М, применяемые в гироскопических приборах, образцы, шлифовальные инструменты, технологические процессы рекуперации и классификации зерен СТМ, переработки шлама.

Теоретические исследования выполнялись на базе научных основ технологии машиностроения, теорий механической обработки и шлифования неметаллических материалов (стекол, ситаллов и др ), фундаментальных положений гидродинамики, физической и коллоидной химии, математического и физического моделирования взаимодействия абразивных частиц с тонким слоем жидкости в поле центробежных сил инерции.

«Г

Экспериментальные исследования проводились в производственных и лабораторных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры на основе методов оптической микроскопии, планирования многофакторного эксперимента и статистического анализа, оптимизации процессов обработки. Математическая обработка результатов исследований производилась с использованием ПЭВМ.

Научная новизна работы

Разработан (патент РФ № 38666 на полезную модель от 10.07.2004г.) и теоретически обоснован более эффективный совмещенный способ очистки СОТС при шлифовании с рекуперацией и классификацией зерен СТМ, обеспечивающий повышение качества обработанной поверхности и снижение трудозатрат, связанных с переработкой шлама и последующего использования его составляющих

Разработана обобщенная математическая модель процесса рекуперации и классификации абразивных зерен, отражающая влияние конструктивно-технологических параметров устройства центробежного типа и других техно->ю! ических факторов (характеристик СОТС и абразивных частиц) на эффективность процесса.

На основе теории и метода жидкостной классификации разработана новая конструкция устройства центробежного типа (заявка №2005107955 на патент), обеспечивающего совмещение операций извлечения из СОТС зерен СТМ в заданном диапазоне размеров и разделения их по размерным группам при заданной производительности и исключающего трудоемкие процессы по переработки шлама.

Получены новые экспериментальные результаты исследований, определяющие эффективность предложенной системы очистки СОТС с рекуперацией и классификацией зереч СТМ при шлифовании изделий из неорганических стекол и сит алла.

Получена интерполяционная математическая модель, позволяющая прогнозировать наименьший размер зерен СТМ, извлекаемых из СОТС в зависимости от конструктивно-технологических параметров разработанного УЦТ.

Практическая ценность работы

1. Разработана методика инженерного расчета оптимальных конструк-тивио-теунологииеских парамегров УЦТ для рекуперации из СОТС и классификации зерен СТМ.

2. Разработан алгоритм определения оптимальных конструктивно-технологических параметров предложенных УЦТ.

3. Разработано и передано к внедрению УЦТ для рекуперации из СОТС на водной основе с ПАВ и классификации зерен СТМ, предназначенное для совершенствования системы очистки СОТС в составе оборудования в процессе шлифования заготовок из неорганических стекол и ситалла с целью повышения качества и производительности обработки и снижения трудозатрат по переработке шлама.

Апробация и реализация работы

Материалы диссертационной работы доложены на:

- ежегодных научных конференциях и семинарах Нижегородского государственного технического университета в 2001-2004 г.г.;

- заседаниях кафедр «Технология машиностроения» НГТУ и Арзамасского филиала НГТУ в 2001-2004 г.г.;

- Всероссийских научно-технических конференциях «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». - Нижний Новгород - Арзамас, 2001-2003 г.г.;

- Региональном молодежном научно-техническом форуме. - Нижний Новгород: НГТУ, 2002;

- Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении». - Пенза, 2003;

- Межрегиональной научно-технической конференции «Химическая и пищевая промышленность- современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики». - Нижний Новгород: НГТУ, 2004;

- Международной юбилейной технической конференции «Наука о резании материалов в современных условиях». - Тула- ТулГУ, 2005.

Результаты исследований использованы при разработке опытно-промышленной технологии и оснастки (УЦТ) очистки СОТС с рекуперацией и классификацией зерен СТМ для применения их в производстве шлифовальных инструментов и переданы на ряд промышленных предприятий Нижегородского региона.

Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий со студентами и магистрами по дисциплинам «Технология машиностроения», «Ресурсосбережение и малоотходные технологии».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ и получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 90 наименований и приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи по совершенствованию системы очистки СОТС от шлама с использованием устройств рекуперации и классификации зерен СТМ, изложена краткая характеристика диссертационной работы, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой 1лаве проведен аналитический обзор состояния вопроса совершенствования систем очистки СОТС от шлама в процессе механической обработки, его переработки и возможности дальнейшего применения Анализируются системы рекуперации и классификации абрамвного материала с целью

б

ею использования в производстве шлифовальных кругов. Показан большой вклад отечественных ученых Ардамацкого АЛ, Бердичевского Е.Г, Грановского Г H , Евсеева Д Г., Королева А В , Маслова Е Н., Перерозина M А , Пташникова B.C., Роюва В.В , Рыжова Э В., Рыкунова Н.С., Ссмибратова M H., Силина С С , Суслова А Г Тихонова В M , Филимонова ЛН , Хрулькова В.А , Худобина Л В., Якимова А В , Яшсрицына П.И. и др в развитие теории и тех-нотогии абразивной обработки различных материалов, в том числс и шлифования хрупких неметаллических материалов (неорганических стекол, ситалтов и др ) и сопутствующих процессов диспергирования частиц обрабатываемого ма-юригла и износа режущей поверхности абразивного инструмента, а также ра-цг-гналыюгс использования при этом смазочно-охтаждаюгцих жидкостей.

Отмечено, что очистка СОТС от продуктов износа режущей поверхности абразивного инструмента является одним m важных факторов, опредетяюших качество обрабатываемых поверхностей деталей Рассматриваются пути совершенствования процессов и систем очистки СОТС, используемых ь составе оборудования для шлифования различных изделий машиностроения с целью у-учтения ка,!ес!ва и производительности очистки, обеспечения ее непрерывности и повышения эффективности. При этом установлено, что одним из способов повышения эффективности процесса очистки СОТС, используемой при шлифовании хрупких неметаллических материалов, явтяется совмещение с ней процесса рекуперации и классификации зерен дорогостоящего абразивного материала (алмазэ, эльбора и др.) с целью их использования при изготовлении новых инструментов Это обеспечивает экономию материальных ресурсов и сни-л'ение затрат ira рекуперацию за счет исключения трудоемких операций, связанных с переработкой шлама, который в ряде ведущих промышленных стран одним из основных источников получения зерен сверхтвердых материалов.

Анэтиз возможности применения в составе системы очистки СОТС раз-ли"ш IX \сфойсгь (центрифуг, гидроциклонов и др ) для извлечеьия абразивного магергдта из СОТС покупал, что для качественного отделения абразивных зерен oi дик. кодированных частиц обрабатываемого материала, концентрация которых СОТС в сотни раз больше концентрации абразивных зерен при превосходстве размеров последних, необходимо применять более эффективные ycT-pokciBj с инерционной выгрузкой продуктов разделения К ним относятся, в |||Осги. нс.<ог"рые из устройств центробежного типа (УЦТ), обеспечивающие, как будет показано ниже, качественное отделение абразивных зерен из СОТС при очистке, а также возможность ич классификации по размерным группам

Однако широкого развития и применения данный способ совмещенной обработки СОТС не подучил ввиду его малой изученности, отсутствия рациона гьных схем и конструкций УЦТ. а также методик их расчета и определения оптимальныл конструктивно-технологических параметров и условий работы

На основании проведенного обзора технической литературы и патентов сделаны выводы о необходимости совершенствования процесса очистки СОТС от шлама, разработки новых схем и устройств рекуперации и классификации абразивных зерен при шлифовании деталей из хрупких неметаллических материалов, сформулирована цель и определены задачи исследований.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований, приводятся сведения о технологическом оборудовании, инструменте, режимах обработки, приборах, образцах с описанием методик получения и обработки результатов исследований.

В качестве объектов для исследований использовали детали типа "пластина" для зеркал и линз из неорганических стекол марок К108, КУ-1 и ситалла марки СО-115М размером 110 х 110 х 17 мм, а также плоские образцы из указанных материалов.

Рис.1. Схема циркуляции СОТС в процессе ее эксплуатации и очистки на операциях шлифования хрупких неметаллических материалов

Сравнительные эксперименты проводили на двух станках модели ОФ-55. модернизированных под обработку хрупких материалов и оснащенных- баком-отстойником (серийная технология) и усовершенствованной системой очистки и подачи СОТС (Патент РФ № 38666 на полезную модель от 10.07.2004г.), разработанной под руководством проф. В.М. Сорокина на кафедре «Технология машиностроения» АрзПИ. Торцовое шлифование осуществляли типовыми алмазными кругами различной зернистости (125/100, 200/160, 315/250). В качестве СОТС использовалась водная среда с добавлением ПАВ, введение коюрых повышает эффективность как процесса шлифования (антифрикционное действие), так и процесса рекуперации зерен С'ГМ (снижение поверхностного натяжения и турбулентности потока СОТС,

смачивающее действие) с помощью УЦТ, входящего в систему очистки. Расход СОТС составлял 10. ..15 л/мин, а объем равнялся 100 л.

Шлифование проводили на режимах: скорость резания Урез =10...40 м/с; усилие прижима инструмента к шлифуемой поверхности Ру = 0,15 МПа; продольная подача 5лр = 1 м/мин.

Для исследования характеристик усовершенствованного совмещенного процесса очистки СОТС использовалась технологическая схема, приведенная на рис.1.

Оценку параметров распределения извлеченных алмазных зерен , проводили путем нахождения их массы в каждом отсеке приемника с помощью

лабораторных электронных весов СР 225Б (дискретность 0,01 мг) и соотнесения их с суммарной массой всех извлеченных зерен. Точность рекуперации и классификации оценивалась путем контрольных замеров ■ диапазона зернового состава в каждом отсеке путем их сравнения с эталонными

образцами зерен с помощью микроскопов МБС-10 (х4,6-100,8) Долю рекуперированных зерен по сравнению с их исходным содержанием в режущей части шлифовального инструмента оценивали путем соотнесения массы всех рекуперированных алмазных зерен с массой зерен в изношенной части инструмента.

Оценку качества обработанной поверхности производили по стандартным методикам. Шероховатость поверхности определяли с помощью высокочувствительного профилографа-профилометра модели 201 "Калибр" с записью профилограмм Количество дефектов и глубину дефектного слоя определяли с помощью микроскопов МБС-10 при послойном удалении дефектных слоев материала полированием по серийной технологии Количественно дефектность оценивалась безразмерным коэффициентом

= ^иеФ /^ъия ' 1де общ«"! площадь дефектов после удаления первого слоя материала величиной равной высоте микронеровностей; - площадь исследуемой поверхности Время удаления дефектных слоев определяли по секундомеру

В третьей главе представлены результаты теоретического исследования I процессов рекуперации абразивных зерен из СОТС и классификации их по раз-

мерным группам с помощью устройства центробежного типа, входящего в состав усовершенствованной системы очистки СОТС (патент на полезную модель) в составе оборудования для шлифования хрупких неметаллических мате> риалов

Предложены новые схемы и конструкции УЦТ, оснащенных коническим ротором и приемником для сбора фракций Одна из схем такого устройства показана на рис.2.

Рис.2. Принципиальная схема устройства центробежного типа:

1 - платформа приемника; 2 - ротор: 3 - цилиндрические вставные перегородки; 4 - электропривод

Выполнено теоретическое обоснование предложенных схем УЦТ с приемником в виде платформы с цилиндрическими вставными перегородками различной высоты и приемником в виде плоской платформы с нанесенным адгезионным или демпфирующим покрытием.

Эффективность процесса извлечения (рекуперации) абразивных частиц из жидкости оценивали из условия превосходства центробежной силы инерции абразивной частицы, определяемой угловой скоростью вращения ротора, при достижении ею границы раздела «жидкость-воздух» над силами поверхностного натяжения, удерживающими частицу на свободной поверхности жидкости. Исходя из условия отрыва со свободной поверхности потока жидкости абразивных частиц наибольшего размера с1тт при минимально возможном радиусе г/, соответствующем их равновесному положению на границе раздела «жидкость-воздух», получена формула, определяющая угловую скорость вращения ротора ш„:

где сг - сила поверхностного натяжения жидкости; Л - разнос 1Ь плотностей материала частиц и жидкости.

Для определения радиуса г0ф, отрыва частиц размера с1, со свободной поверхности жидкости, с учетом сложного харак/ера движения частиц в потоке жидкости плотностью р и толщиной й„ при радиусе г„ соответствующем равновесному положению частиц на границе раздела «жидкость-воздух» под действием сил инерции и поверхностного натяжения, и >!ле р наклона образующей конической поверхности ротора к горизонту, предложена расчетная схема (рис.36) и получена формула:

г

ю

а) б)

Рис.3. Расчетные схемы движения абразивной частицы в процессе рекуперации I и классификации с помощью устройства центробежного типа

Для обеспечения безотрывного движения потока жидкости на поверхности конического ротора получена зависимость, устанавливающая критическое значение /г^, глубины потока, измеренной перпендикулярно к боковой поверхности ротора из точки, определяемой радиусом г,:

И =__Ев_

Ч> 2 • о '

рю^т/З

где ро - атмосферное давление

С целью обеспечения правомерности использования решений уравнений Навье-Стокса при движении несжимаемой вязкой жидкости в условиях поддержания ламинарного режима течения в сильно ускоренном потоке малой толщины по всей поверхности конического ротора, ограниченной сверху радиусом г начала рабочей зоны ротора, получена зависимость, ограничивающая производительность устройства £>р:

где V - кинематическая вязкое 1Ь жидкости; Яекр - критическое значение числа Рейнольдса.

1 С учетом полученных аналитических зависимостей предложены обоб-

щенные динамические математические модели, позволяющие произвести коли-чесгвенную оценку параметров процессов рекуперации абразивных частии заданного диапазона размеров из рабочей жидкости с заданными технологическими свойствами и их классификацию по группам зернистости согласно предложенным расчетным схемам (рис 3) с помощью УЦ'Г, оснащенных коническим ротором и приемниками различных конструкций Разработанные модели

представляют собой системы уравнений, описывающих связь конструктивных параметров элементов У ЦТ с технологическими характеристиками рабочей жидкости и абразивных частиц, а также режимом работы устрой ст ва Для УЦТ с приемником, выполненным в виде платформы с цилиндрическими вставными перегородками различной высоты, разработанная модель имеет вид:

6а 9рИ> Л бег

-■ ■• =Г,+-+ - ' • --

_' 2 Ас/, " 2ап/?' ' ¿,2Дш„2

А-=Л3/-Щг--; к<К=-Р-; <2„<ЪлгуКе-

Л,2л-(йу;) сову? ' рса^тР "

>

2ц 4 " с * 4 "тРк

где Я* - высота ближней к ротору перегородки Аг-ого отсека приемника; Л - радиус основания конического ротора, расположенного на одном уровне с плоскость платформы приемника; гатрк - радиус отрыва частиц размера ¿4, определяющего нижнюю границу группы зернистости частиц в к-ом отсеке приемника; ук - отклонение траектории движения частиц размера (1к от горизонтально направленной; уж - скорость часгицы, увлекаемой потоком, на свободной поверхности жидкости; г) - динамическая эффективная вязкость суспензии; v'v-скорость инерции частицы в момент ее отрыва со свободной поверхности жидкости; \к - координат положения ближней к ротору перегородки к-ого отсека приемника; р, - плотность материала частиц; р - динамическая вязкость воздуха, Аг - зазор между основанием ротора и внутренним краем платформы приемника; а ширина отсека приемника.

Дтя УЦТ с приемником, выполненным в виде плоской платформы с нанесенным па нее адгезионным либо демпфирующим покрытием, модель принимает вид:

6<7 , 9рк] „ „ с1 Ьа

2Лг/, гвт/? ¿,Ь.<о0

X к

Яр =

А, < А„„ = -

Л>

2ж(а0г1)2 соь/3 ' ' "" раУ^тР'

1ч V

Л - г.

'•'Р 1 1 \ 2 п )

3 у ®о Г1 005 Р

0,28й» г

сое /? = --0-<""А

V ^ Лг +1

соб /? Дг + £

27/^6, 1

2 пМсогй^ Л-г '

х, = а&р +-У,; у, = (Я-г + утт;

ужзтр

; К, = ф^р, + X* +■ 2гот/) х, соъср ; =

18//

где /гтах - глубина потока жидкости, измеренная перпендикулярно к боковой поверхности ротора из точки, определяемой радиусом г/, у'и1 - скорость инерции частицы размера с1тах в моменг ее отрыва со свободной поверхности жидкости; гшр| - радиус отрыва тастицы наибольшего размера со свободной поверхносш жидкости; Л - ширина рабочей зоны приемника, утг, - величина смещения плоскости приемника относительно основания ротора в вертикальном направлении; х, - координата, определяющая положение частиц размера с1, на плоскосш приемника,^, - координата, определяющая высоту шрыва частиц размера с1, над плоскостью приемника, /?,„ - радиус, определяющий почожение частиц на тоскости приемника с учетом касательной составляющей скорости частиц, ф - угол между векторами инерционной составляющей и результирующей скорости в момент отрыва частиц со свободной поверхности жидкости

Показано, что использование предложенных математических моделей для заданных техполо! ических ус ювий позвотяег опредемпь ошимальные конструктивно-технологические параметры и их соотношение для У ЦТ с приемниками двух 'ипов. Приводя1ся алгоритм (рис 4) и про;раммы расчетов конструктивно-технологических параметров устройств, выполненных в соответствии с предложенными расчетными схемами пронессоь рекуперации и классификации Результаты расчетов свидетельствуют об адекватности полученных математических зависимостей

п

Ввод параметров, входящих в расчетные формулы .

Изменение параметра г}

Расчет радиусов отрыва частиц

бгт 9 рИ] </,

г -----г <- -—с!г и еоъ р +---5—

" </,Д0,1 ?д<1, 2ып р

Радиус ос повалия ротора Р< > г „ч (а„1п1)

Расчет высоты пере?орог)ои отсеков приемника

Печать по ту чей иы V точений констр\ктиво те Х},о >о че< I и * параметров устройства п „ р, р, К

^ Конец ^

Рис 4 AJll оритм расчета консфукгчвно-техночо! ичесьнх параметров устройства для рекуперации и классификации абразивных зерен

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований, в частности, испытаний опытно-промышленных образцов УЦТ для рекуперации и классификации абразивных зерен, проведенных с целью проверки адекватности предложенных теоретических моделей и полученных расчетных данных.

Рис.5. Распределение рекуперированных при очистке СОТС алмазных зерен по размерным группам после торцового шлифования стекла К108 и ситалла СО-115М (круг 125/100 Б1 - 75%)

Испытания УЦТ в системе очистки СОТС проводили в составе оборудования, применяемого на операциях предварительного шлифования хрупких неметаллических материалов алмазными кругами (гл.2) Угловая скорость вращения ротора УЦТ была принята исходя из условия офыва у основания ротора диспергированных зерен, размер которых, согласно полученной нами эмпирической зависимости, составляет 0,3 от величины верхнего предела зернистости инсгоумента, (выход зерен с меньшими размерами в процессе износа круга составляет 10 . 15%) Исследовали, в частности, распределение рекуперированных алмазных зерен по размерным фуппам в отсеках приемника УЦТ в зависимости от марки обрабатываемого материала и исходной зернистости алмазного круга. На рис.5 представлены экспериментальные кривые, описывающие относительное массовое содержание алмазных зерен, сгруппированных по размерам в отсеках приемника, от всей массы зерен, извлеченных с помощью УЦТ из СОТС в процессе ее очистки. Полученные результаты подтвердили правиль-

ность теоретического исследования (расхождение результатов составляет не более 20%)

При сопоставлении кривых распределения рекуперированных алмазных зерен по размерам с кривой распределения исходного алмазного порошка видно, что содержание основной фракции существенно уменьшилось- вместо 80% в исходном порошке оно составило от 25 до 35% в рекуперированном; доля же зерен более мелких размеров существенно возросла за счет их измельчения в процессе работы алмазного круга Проведенные опыты также подтвердили, что зернистость исходного порошка в круге непосредственно влияет на размеры рекуперированных алмазных зерен Увеличение зернистости алмазного круга приводит к существенному снижению его износа при шлифовании и смещает максимум кривых распределения размеров зерен в сторону больших размеров Доля рекуперированных алмазных зерен размерами свыше 50 мкм при зернистости алмазного круга 125/100 составила 93%, а при зернистости 200/160 -95%. Зерен размерами более 80 мкм было извлечено соответственно 78 и 92%, зерен размерами более 100 мкм - 51 и 73%.

Кроме того, применение УЦТ в системах очистки СОТС позволяет объединить три применяемых ранее отдельных самостоятельных процесса, включающих более 10 операций, в один совмещенный технологический процесс регенерации СОТС и зерен СТМ, состоящий из 5 операций, и значительно в 3...4 раза повысить производительность труда за счет совмещения операций. В табл. 1 приведен сравнительный анализ базовых и нового технологических процессов (ТП) регенерации СОТС и зерен СТМ.

Приводятся также результаты исследования характеристик качества поверхностей образцов из неорганического стекла К108 и ситалла СО-115м после их обработки на различных режимах алмазными шлифовальными кругами с применением СОТС, очищенной различными методами Исследовались- шероховатость (Rz), глубина дефектного слоя (//), коэффициент дефектности (Кдеф) Результаты исследований частично представлены графиками на рис.6 и 7 Анализ результатов исследования показал, что алмазное шлифование неорганических стекол и ситаллов с использованием СОТС, прошедшей двухэтапную очистку в системе, оснащенной УЦТ для рекуперации и классификации абразивных зерен, приводит к улучшению всех исследуемых параметров качества обработанной поверхности. Так, происходит снижение шероховатости с R? = 8,6...8,8 мкм до Rz = 6,0...6,2 мкм (в среднем на 30%), количества дефектов типа сколов, выколов, микротрещин в 5 .15 раз, глубины дефектного слоя в 2. 3 раза. Все это обеспечивает уменьшение величины припуска под окончательную обработку (доводка-притирка, полирование) в 2 .3 раза, снижая при этом трудоемкость и себестоимость изготовления изделий

30 25 20 15 10

5

0

1 10 100

Рис.6. Зависимости качества обработанной поверхности стекла К¡08 (шероховатости /?г; глубины дефектного слоя Я, коэффициента дефектности Л^) от периода эксплуатации неочищенной СОТС (круг 125/100, У= 20 м/с, Р= 0,15 МПа; *11р= 1 м/мин)

Рис 7 Зависимости качества обработанной поверхности от скорой и резания а) I л>Рины дефектною слоя Я, бу коэффициент дефектности при различных периодах эксплуатации СОТС (1 ч; ¡0ч, 100 ч) (круг 125/100, /> = 0,15 МПа, 1 м/мин)

Таблица 1

Базовые (самостоятельные) ТП регенерации СОТС и зерен СТМ Новый (совмещенный) ТП регенерации СОТС и зерен СТМ

Основные операции

ТП регенерации СОТС 1 .Подача СОТС из зоны обработки на центрифугу 2 Очистка СОТС от шлама центрифугированием 3 .Разгрузка центрифуги от шлама 4 Подача очищенной СОТС в зону обработки 5 Удаление шлама в отвал 1 .Подача СОТС из зоны обработки в УЦТ 2.Извлечение из СОТС и классификация зерен в поле центробежных сил 3.Окончательная очистка СОТС от шлама центрифугированием 4 Разгрузка центрифуги и удаление частиц обрабатываемого материала в отвал 5.Подача очищенной СОТС в зону обработки

777 регенерации зерен СТМ 1 Сбор и хранение шлама 2.Переработка шлама (как правило, трудоемкий процесс; экологически не безопасный из-за необходимости использования кислот, щелочей, а также выделения вредных веществ) 3.Утилизация переработанного шлама (экологическая не безопасна из-за содержания вредных веществ в шламе)

777 классификации зерен СТМ

1 .Классификация зерен с помощью 3-4 сит для получения крупных фракций 2.Окончательное фракционирование в ста-канчиковых центрифугах

В пятой главе с целью оптимизации конструктивно-технологических параметров УЦТ для рекуперации и классификации абразивных зерен из СО ГС при ее очистке проводились дополнительные исследования влияния их на параметры рекуперированных абразивных зерен.

Был поставлен полный факторный эксперимент, в котором одновременно варьировались угловая скорость вращения ротора (со = 300 . 600 рад/с), диаметр основания ротора (7? =200...600 мм) и производительность устройства (()в -10.. 110 л/мин)

Исходными и не изменяющимися параметрами являтись' диапазон зернового состава абразивных частиц, содержащихся в СОТС, который соответствовал износу инструмента зернистостью 125/100, а также угол наклона образующей конической поверхности рогора УЦТ ((3=20°) и параметры СОТС.

В качестве параметра оптимизации принята нижняя граница (</„ |п) диапазона размеров рекуперированных абразивных зерен. Для облегчения статистической обработки экспериментальных данных и расчетов на ПЭВМ разработана

программа вычислений. В результате ротатабельного планирования второго порядка получена интерполяционная математическая модель, которая позволяет с достаточной степенью достоверности прогнозировать наименьший размер абразивных зерен, извлекаемых из СОТС с помощью УТЦ при различных режимах его работы и диаметре основания ротора, и определять оптимальные значения режимных параметров и диаметра ротора (га = 400...500 рад/с, (),, = 40...80 л/мин, И = 400.. .500 мм). Полученная модель имеет вид-

с1та = 135,2-0,1138гу - 4,8-10'!й>2 -0,1654.0 + 4,36-10~5£>2 --0,1340, +1,55-10-3£>2 +1,8-10"4юО-7,5Ю-5£>е„

В шестой главе показано практическое использование результатов теоретических и экспериментальных исследований для разработки прогрессивной технологии очистки СОТС в составе оборудования для обработки алмазными инструментами заготовок из хрупких неметаллических материалов Представлены конструкции и описания У11Т для рекуперации из СОТС и классификации по размерным группам абразивных зерен с целью их повторного использования при изготовлении новых инструментов.

Разработана инженерная методика расчета конструктивно-технологических параметров устройств и технологические рекомендации по выбору их элементов, а также режима работы устройства в процессе рекуперации из СОТС (на водной основе с добавлением ПАВ) и классификации алмазных зерен, применяемого в системе очистки СОТС на операциях алмазного шлифования заготовок из неорганических стекол К108, КУ-1 и ситалла СО-115М. Использование технологических рекомендаций позволило исключить операции связанные с переработкой шлама, имеющие место в процессах регенерации абразивного материала, и повысить производительность процесса рекуперации и классификации абразивных зерен в 3 4 раза.

Возможность рекуперации и классификации алмазных зерен из СОТС позволило получить экономию в объеме 10 30% начальной стоимости алмазного инструмента при значительном снижении трудоемкости процессов рекуперации и классификации. Годовой экономический эффект от использования результатов диссертационной работы как показали расчеты, выполненные на базовом предприятии, может составить более 85 тыс руб в год

Основные результаты и выводы

1. На основе анализа работ отечественных и зарубежных ученых, исследований и разработок автора решена актуальная научно-техническая задача, направленная на совершенствование системы очистки СОТС за счет использования новых схем и конструкций устройств для совмещенных процессов рекуперации зерен СТМ (алмаза, эльбора и др) и классификации их по группам зернистости для использования в производстве новых инструментов

2. Получено аналитическое решение задачи, позволяющее оценить параметры, характеризующие взаимодействие абразивных зерен с потоком СОТС на поверхности конического рогора в поле центробежных сил инерции и с воздушной средой при их рекуперации и классификации с помощью УЦТ, оснащенного ротором и приемником для сбора фракций.

3. Предложены и теоретически обоснованы схемы УЦТ, входящего в состав усовершенствованной системы очистки и подачи СОТС (получен патент на полезную модель), на основе которых разработаны варианты конструкций УЦТ с коническим ротором и приемниками для сбора фракций различных конструкций.

4. Разработана обобщенная математическая модель для расчета конструктивно-технологических параметров УЦТ с коническим ротором и приемником для сбора фракций с учетом характеристик абразивных зерен и СОТС

5. Проведены сравнительные экспериментальные исследования эффективности процесса рекуперации-классификации зерен СТМ из СОТС с использованием предложенного УЦТ. Показано, что полученные математические зависимое ги с достаточной для практики точностью описывают гидродинамические и физико-химические процессы в системе «рогор-жидкость-твердая частица» и вполне могут быть использованы для расчета как конструктивных параметров УЦТ, так и технологических параметров процесса рекуперации-классификации.

6. Установлено, что применение УЦТ для рекуперации и классификации зерен СТМ из СОТС (на водной основе с добавками ПАВ) обеспечивает высокие степень рекуперации и точность классификации зерен СТМ при заданной производительности устройства. В частности, при опытно-промышленных испытаниях УЦТ доля рекуперированных алмазных зерен, пригодных для повторного использования, составила 80...90% по сравнению с их исходным содержанием, рассчитанным по износу инструмента, а расхождения в точности классификации зерен по размерным группам в отсеках приемника, как показали экспериментальные исследования, не превысили 15...20%.

7. Установлено, что примеггение усовершенствованной системы очистки СОТС в составе оборудования для шлифования заготовок из неорганических стекол и ситаллов обеспечивает получение высококачественных деталей. В частности, при экспериментальных исследованиях получено снижение шероховатости на 20...30% при отсутствии каких-либо значительных поверхностных дефектов и достаточно высокой производительности обработки (за счет снижения глубины дефектного слоя Нв 2...3 раза).

8 Получена математическая зависимость в виде полиномиальной модели, отражающая влияние конструктивно-технологических параметров УЦТ на границы диапазона размеров извлекаемых абразивных зерен. Полученная зависимость позволяет определять рациональные режимы работы УЦТ, обеспечивающие извтечение абрашвных зерен заданного диапазона размеров, а также

конструктивные параметры УЦТ, соответствующие его рациональным режимам.

9. Разработана инженерная методика расчета конструктивно-технологических параметров УЦТ и техноло! ические рекомендации по практическому применению выполненных исследований, позволяющие получить значительный экономический эффект Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии очистки СОТС при шлифовании стекол марок К108, КУ-1 и ситалла СО-115М с использованием УЦТ рекуперации и классификации зерен СТМ как показали расчеты, выполненные на ОАО АНПП "Темп-Авиа", может составить более 85 тыс. рублей.

10. Эффективность применения усовершенствованного совмещеннот о процесса очистки СОТС достигается за счет следующих основных факторов.

а) повышения качества и производительности обработки поверхностей деталей (снижение шероховатое!и на 20 30%, дефектности поверхностною слоя, величины припуска в 2 ..3 раза под доводку),

б) повышения производительности труда в 3 .4 раза при совмещении операций;

в) повышения экологичности процесса отделения и переработки шлама (за счет исключений связанных с этим операций),

г) появления возможности использования извлеченных зерен в производстве новых шлифовальных инструментов как для обработки деталей, так и для правки кругов.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Глебов В В , Сорокин В.М , Шурыгин А Ю. Анализ контактных взаимодействий в зоне шлифования при использовании нефильтрованной СОЖ // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции - Нижний Новгород - Арзамас НГТУ-АГПИ, 2001-е. 135 -138.

2. Глебов В.В., Пучков В.П., Сорокин В.М., Новичихин В.А., Шурыгин А Ю Система очистки СОЖ в составе оборудования для шлифования неметаллических материалов // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции Нижний Новгород - Арзамас. НГТУ - АГПИ, 2001 - с 107 -110.

3 Глебов В В , Шурыгин А.Ю Центробежная сепарация инструментального материала из жидких технологических сред при шлифовании Эколого-экономический аспект // Проблемы становления смешанной экономики России: Материалы межвузовского сборника статей. - Арзамас, 2002 - с. 318 - 320

4 Сорокин В М , Глебов В В , Шурыгин А.Ю Теоретический анализ возможности использования гидроцикпона для отделения абразивного материала от СОЖ при штифовании // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Материалы всероссийской научно-технической конференции. -Нижний Новгород - Арзамас: НГТУ, 2002 - с. 156 -158.

5 Сорокин В М., Глебов В В., Шурыгин А.Ю. Использование центробежного классификатора с целью рекуперации зерен абразивного материала // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении' Материалы всероссийской научно-технической конференции - Нижний Новгород - Арзамас-НГТУ, 2002-с 149- 154.

6 Сорокин В М , Глебов В В , Шурыгин А Ю. Способ извлечения частиц абразивного материала с целью их повторного использования // Будущее технической науки нижегородского региона- тезисы докладов регионального мо лодежного научно-техническою форума - Нижний Новгород: НГТУ, 2002 - с 227-228

7 Сорокин В М , Глебов В.В , Пучков В П., Шурыгин А Ю. Анализ практической возможности совмещения процесса классификации продуктов обработки со шлифованием хрупких неметаллических материалов // Современные технологии в машиностроении Материалы всероссийской научно-технической конференции 4 2 - Пенза' Приволжский дом знаний, 2003 - с 123-125

8 Сорокин В М., Глебов В В , Шурыгин А Ю. Методика расчета режима рекуперации инструментального материала из СОЖ при шлифовании // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Материалы всероссийской научно-технической конференции - Нижний Новгород - Арзамас HI ТУ, 2003-е. 186-190

9 Глебов В В., Шурыгин А Ю Действие поверхностно-активных веществ на абразивные зерна в процессе их рекуперации // Химическая и пищевая промышленность' современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики' Материалы Межрегиональной научно-технической конференции -Нижний Новгород: НГТУ, 2004 - с 124-126

10. Шурыгин А Ю , Глебов В.В Критерий для определения режима рекуперации абразивных зерен ценiрифу 1ированием /7 Химическая и пищевая промышленность современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики- Материалы Межрегиональной научно-техническои конференции -Нижний Новгород-11ГТУ, 2004 - с 126 - 128

11 Глебов В.В., Сорокин В М , Пучков В 11, Шурыгин А Ю Моделирование динамики СОЖ в процессе очистки и рекуперации с использованием конического ротора // Паука о резании материалов в современных условиях' Материалы Международной юбилейном технической конференции - Тула. Тул-ГУ, 2005- с. 70-74.

12 Глебов В.В., Сорокин В М . Пучков В 11, Шурыгин \ Ю Моделирование динамики абразивных частиц в процессе их рекуперации из СОЖ И Наука о резании материалов в современных условиях- Материалы Международной юбилейной технической конференции. - Тула ТулГУ, 2005 - с 66-70

13 Сорокин В.М , Глебов В В , Пучков В П., Новичихин В А , Шурыгин А Ю. Патент Российской Федерации на полезную модель № 38666 «Станция подачи СОЖ» от 10.07.2004.

I

4

»-83 13

РНБ Русский фонд

2006-4 6017