автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления алмазных абразивных инструментов

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНЫХ АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность 05.03.01- "Процессы механической и физикотехнической обработки, станки и инструмент"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

" УДК 621 922 : 621.921.34

Лобанов Александр Владимирович

Тула - 1998

о

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные станочные системы" Тульского государственного университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Шадский Г.В.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент И.Н. Сотов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Б. Протасьев кандидат технических наук Масленников В. А.

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский институт природных, синтетических атаазов и инструментов

Г-1

Защита диссертации состоится и 25 11 детсюЯ 1993г. в Ц часов в 5_ учебном корпусе, ауд. ?/б на заседании диссертационного совета К 063.47.01 Тульского государственного университета(300600, г. Тула, пр. Ленина, 92)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ошцля

ÎTÎÙ'IÎC'ÎfïiiA ГЛБОТЫ

А?дталг>иссгь. Л'щогоойряз!га з.здйч, решчемьвс шгсаггс-чЗрзгнтгай обработкой, привело КПОЯШИШПО ПШПОКОЙ ^ШЙМЫ еплтплтлтм/эттего •VT'Tpy мента. Ш современном 31 ans нромишгеико! о раззипк -о1 •. нсс 'гг.чп; стелится задача создания жгфуаси;©» с заранее заданными сиойствямп:-'На^ ряду с появлением новых TinroQ алмазного ueacymcm uur.-nv.w-u-i n v< m.™.».,«.,.-

M^lJùoiiuriô« üwi-iaûvj 1 nu 11ЛИТМ 411 ыниитгг-а n iirraiio my»n.«»..n.m

. собы изготовления самих инструментов, обеспечивающие не только гл*сс!-аш уровень качества готовой продукции, но и высокую экономическую эффективно сп. всего производства в целом. ' '

. К числу перспективных, хотя и "старых" относится способ ШГОТОВЛС'ПШ абразивных инструментов из алмазных порошков на металлических связках методами порошковой металлургии. Качество таких инструментов в большой степени. зяриерт .ОТ. расприсямпк лсоыпокайоп (лпдомургегапжо вямжя&гх зерйн) и рабочем слое и здкдалываеге^ в процессе пршхловлетт л.ямм-счо-держащих смесей. Одчм.о п пиемкшпе 20 —30 лет развитие рассма.^’пч'.мой отрасли идет в шпрдаяенких аазрабоиш- новых реиетур связок и сш.-сбоя формирования рп^.'Чйго слоя лз алмазосодержащих смесей. Процесс л,;- гри-готовлеши самих алмазосодержащих смесей качественных изменений не претерпел. Приготовление смесей многокомпонентных поров(ког,тлх материалов является ОДНИМ ИЗ НСШЮГИХ производств, построенных lia основе лишь экспериментальных дшш!,!х._ Поэт ому назрела необходимость качественного изменения этой ситуации Она обусловлена тем, что применяемые типы смесителей не способны обеспечить требуемого качества смесевых продуктов. .

Современные.тенлеип.ни.и обдаст-щзаготоплийы смесей многокомпонентных порошковыхМатериалов заключаются в сокращещш времени сагзши-~ вашя за счет того, что поступающая п зону перемешивания исходная масса предварительно подготовлена и (5зп1зха г,о своей структуре к готовой смеси. Однако не всегда удается существенно сократить время и повысить качесию приготовления смеси. Это свидетельствует Об актуальности проблемы рагра- . боткп способа приготовления алмазосодержащих смесей лпя изготовления алмазных абразшнызишетрумеитоз) лишенного вышеуказанных недостатков.

Нель н задачи работы. Нелыо работы является повышение производительности и качества, а так же снижение себсс\ ммости изготовления агшаз-ных абразивных инструментов путем разработки прогрессивного способа и оборудования дня получения высококачественных алмазосодержащих емгеей.

Поставленная цель определила основныезадачн работы:

1. Разработан, математическую модель способа детерминированного форми-

рования алмазосодержащих смесей для изготовления алмазных абразивных инструментов. • ■

2. Разработал, и проанализировать позмо;кные схемы построения процесса приготовления алмазосодержащих смесей и спроектировать устройства, реализующие рацтнальную схему.

3. Создать стенды и прорести экспериментальные исследовашш разработанно- ' го способа приготовления алмазосодержащих смесей.

4. Оценить адекватность результатов экспериментальных исследований и теоретических расчетов. Провести сравнительные испытания инструментов, из. готовленных из алмазосодержащих смесей, полученных традиционным и

разработанным способами. '

5. Разработать инженертто методику проектирования установок, реализующих • разработанный способ получения смесевых продуктов.

Методика исследования основывается на выявлешш общих закономерностей фут шшюнпрования процессов, обеспечивающих упорядоченное внесение компонентов в смесь при условии оптимизации полученных результатов на основе-положений теории вероятностей, сопоставлении эксперимен- . тальных данных с результатами численного моделирвания. ■

Автор защищает!

I Способ повышения качества и производительности изготовления алмазных абразивных инструментов, изготовляемых на металлических связках методами порошковой металлургии детерминированным формированием алмазосодержащих смесей. .

2. Математическая модель детерминированного формирования смесевых про-

дуктов, связывающую качество их получения с технологическими параметрами устройства и физическими свойствами исходных порошковых компонентов. . ‘

3. Критерий оценки работоспособности алмазного абразивного инструмента.

4. Инженерную методику проектирования устройств, реализующих разработанный способ детерминированного формирования смесевых продуктов.

" ÍÍ£UCil:l^fi:il33;ÍÍ- ' .

1- Доказана njnvio"víiocii повышении качертвз алмазных- дбрюкетяг нпстру-.',Гйч7ов за счет детерминированного формирования алмазосодержащих смеет . . . - • : - ■ ■

' 2. Опзпзна математическая модель процесса дегермшшрошшного форшфова-í.:w алмазосодержащих смесей, позволяющая прогнозировал» качестенные хараягериетшеи (oaiinhoiroocri расгглсдсгишю компонентен) смеси по техно* ' л:-.?!; «есчим режимам процесса и параметрам немодных материалов.

3. Ппс-ден и обоснован- кртериЙ оценки работоспособности алмазного абразивного инструмента — лтмллмт-^'г;;^ ’»«»»•»•«wí**,

тсяшу i>HCii”>*fTPTr»uT.e.r ro:.:nc7ijiiiub ь режущем слог инструмента и относительным расходом алмаза: ’

1. Разработаны и изготовлены экспериментальные установи!, которые обеспечивают исследование ггропессоя дозирования и смешении 'порошковых ма-териалоп способом детермшп!р.ова1шого формирования емгеешх продукгоа

. а ишро:сои диапазоне Азмеиени* количественных соотношении.

2, Прочеде{«; гхевгрти-мм, Cí¡v:;;¿rcru".- ^лдиатлт. я? к-

■ ¡/’Г/! ’i;'Oí'U''* С С« И ;':р0 íc‘^'4 С'*"" - '■.■■ " <’■ :"Л" íu al V.V^C;-’

7:пр,,'.:1-'>гачг:‘>1м сг.сл.со-гм, ”«г'л.пй;

'i- СС<,í:v- :,.-:С<¡ г.j.-ч-,iw yoipcfícrs,

'L^‘acccoi,:;l.4"í¡í-'i-' i i■ = í..v.:i^ íк;í ,г< ;гра.:кш-

рэг»а:;!;г..

A Разраб-ор."-:• ■■;>};: г• .'„гу.юТ: ¡wa’juíh ;-j ичкчог-ого гпп.тгеал.

_ Лнг><у1:-л'»у rjjy^.^íñibi' неезгедотпгпт пословные материалы

робота докладывались на науию-тешп««^^^• i„.•. üf.nrcKuvríVTv

1 "мго ':-4i '-i-- VL-.'.V.. ■■ ..-.*'г -г Тут-;.. j>Q7 и

'r*ri'i;-.\_.vc:; тгоп^еретсн* "Прогрессивные

методы проектирошпш технологических процессов, металлорежущих станков

- *1 гогструментоп" (ТулГУ, г. Тудг, Н:>-7г.), н;:уч.;их езшцефах ТуяГУ (г. Тула,

ífitóelIQQR «т.}.. '

Mli'/i'iilILííií- По 'io.it; л;iС'.‘*р¡v.ii>к* нп.-Г: р;-С> п i онуПяпк,->т;.;'га-i рз&зш. С^гч'мупа и объем пяД<>-н.»| Д’,жс"сртг:~::,;и.<ч ¡-.аоота состоит из впеае-пиа, пяти глаа и заключения, Изложен« на ДОстрглааюх машинописного resera, вь'гаочя.‘.*|- ^.рисуик*, J2 tmmiu, я список •исга.гтзопат.ых источникоп из 9/?НГ:ИМСП0Па!11!![. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывался актуальность качественных изменений ситуации, сложившейся в сфере изготовления алмазного абразивног о инструмента на металлических связках методами порошковой металлургии,- особенно на этапе получения алмазосодержащих смесей.

Б первой главе рассмотрены типовые технологические процессы изго-топления алмазного абразивного инструмента на металлических связках методами порошковой металлургии, применяемые при этом связки, а так же свойственные существующей технологии приготовления алмазосодержащих смесей недостатки. . . .

Схема типового технологического процесса изготовления алмазных ре-х.ущих инструментов на металлических связках методами порошковой метал-Аургии представлена на рис. 1. Смешивание компонентой связки производится о барабанных смесителях или смесителях с перемешивающими элементами. Бремя смешивания определится эмпиричесш! и составляет от 1,5 до 6 часов

На этапе пршотовлешю формовочной массы подготовленный алмазный Порошок смешивается со связкой. При этом применяются те Т15Г1ЕЛ СГЛСС£Т1 С-лен и гноимы смеипшаши, что II при смешивании связки, но иремя смешила-лия сокращено в 2-3 раза. Из полученной формовочной массы отбираются шршш заданного размера. Отбор порций на разных этапах приготовления: алмазосодержащей смеси, производится, как правило,, вручную с применением аШШИТИЧеСКИХ или технических весов .

Подготовка J .алмазного порошка

Подготовка

КОМПОНСНТОВГ СВЯЗКИ

Смешивание

компонентов

СВЯЗКИ

Прпгото Форми- Вскрытие,

сление рование правка и

s» формо- алмазо- контроль

вочной носного инстру-

массы СЛОЯ ■ мента

Рис. J. Укрупненная схема типового технологического процесса изготовления алмазного абразивного инструмента на металлических связках методами порошковой металлургии •

Этап формирования алмазоносного слоя, включающий его брикетиропа-яле, спекание и горячую допресссвку (уТІЛОТНс.Чііе) не приводит к сугтгеетчен-иог.гу измененшо распределения не раегаташтяемих компокгитоз з пределах мшфообьемоя. Т.о. качество инструмента, пглрямуіо сі^зіїама с разномерно* CfMri распреііМеїпія компоненти. (прежде всего шш&энчх зеос«) н painvic" слое, заклацыпается а процессе приготовления алмазосодержащих с;*ес;'і:

• Основным недостаткбм существующей технологии пригхпошгения алма-

ЗОСОПРП-.І.'ЯІІІИМ- naituiH» іииишор«"'т “С

"""СТСр ¿epeH в кем. Это ЯИЩЄІСЯ СЛЄДСТПНСМ

применения смесительных устройств устаревшего типа, на предназначент,;х Для перемешшшшя трудносмешнвяемых порошковых материалов. К числу тг-кпх материалов относятся компоненты, применяемые прп изготовлении. алмазного абразивного инструмента на металлических связках компоненти

■ Применение более эффективных смесителей устройств затруднено по следующей причине — приготовление1 алмазосодержащих смесей является од-ішм мя чемноя«-і^:ггглдств,'і10і:ірои::п-пс лишь на основе опчтш

ЧЇО обусловлено MbOt ООбрйПНГМ фіГЛІЧССКИХ ClíOiíCTíl ИСХОДНЫХ KOMiWll.’ü '(i-' L;

полу ч'асмого проду;а a

Другие, присущие существующей технологии приїотепленій ¡mv.iwvo-держащнх смесей недостатки, такі‘в как високая доля ручного і руди, разора;: заірузка больших масс компонентой, дгапелыгость смешнвтшг, получение конечного смесепого продукта в несколько этапов, высокая энергоемкое п. на единицу массы смесевого продукта и т.д. являются следствием применения ус. .тареаших смеситедей, - ------ ' ' ' "

. ' Анализ процессов прнгэтошгогага смесей порошкопых материалов я

смемгых отраслях порошковой металлургии показывает, что накопленный ¡¡ іш опыт ориентирован на решение ctióitx узкоспециаліізпрованпьіх задач и его распространение на получение алмазосодержащих смесей практически невозможно. . . , : - • . . . •

’ ' На основе проведешюго анализа сформулированы цель работы и определены задачи исследования,- ........ ... .. , .-•

.' ' Вторая глАдя’посвящена’разработке нового способа приготовления сме-

сей многокомпонентных порошковых материалов, основанного на упорядоченном внесенптгтштонетгговв конкретные микрообласти смеси, а так же схемы реализующего его устройства . . .

В приготовленной смеси могут быть выделены микрообъемы, в пределах которых сооттюшения компонентов соответствуют предъявляемым требованиям. Следовательно, если производить подачу каждого компонента подобными микрообъемами, то необходимость в смесителе как устройстве, приводящем . массу о однородное состояние, отпадает. Разработанный способ детерминированного смесовых продуктов заключается в упорядоченном соединении в таре питающих потоков, имеющих''минимальное поперечное сечение. Каждый компонент подается собственным питателем с регулируемой производительностью. ■

Соединение питающих потоков осуществляться либо уже на пути материала из шпателя в тару при пересечении питающих потоков и продолжаться в таре, либо только в таре. Оптимальным является второй вариант — соединение потоков материала в таре. Естественное пересечение питающих потоков не дает интенсивного проникновения зерен одного компонента в дру. гой и не оказывает существенного воздействия на качество смеси. Принудительное пересечение питающих потоков представляет собой возврат к традиционному способу смешивания. Описать его математически практически невозможно.

При наложении микрослоев компонентов в таре возможен сдвиг слоев внутри массы. Но при отсутствии активных воздействий на смесевой продукт и применении увлажнителя, сдвиговые процессы имеют случайный характер и не приводят к снижению качества смеси ’ . ■

Объединение, питающих потоков может производиться одновременно в одной или нескольких тарах. Применение одной тары целесообразно при приготовлении больших порций смеси (3-4 кг). Это! позволяет уменьшить габариты устройства и сократить длительность цикла приготовления порции смеси. Вместо тары на ротор можно установить пресс-форгиу и формировать смесь непосредственно в ней. В остальных случаях эффективнее использование несколько тар. . _ • . .

Питатели, выдающие поток материала, должны обеспечивать стабиль* Ную подачу малых доз порошковых материалов, имеющих низкую насыпную, плотность и большие углы естественного откоса. Наиболее приспособлены для этих целей шнековые питатели с. вертикальной, подачей материала. Для подачи алмазного порошка и некоторых компонентов связок, обладающих Достаточно хорошей сыпучестью,. возможно применение порционных объемных дозаторов. .

Схема устройства, реализующего способ детерминированного формпр-

- ' вания смесевых продуктоа представлена на рис 2..

Рис. 2. Схема устройства Аля детерминированного формирования смеси

Питатели I жестко связаны с корпусом и располагаются так, чтобы их зоны выгрузки располагались' на некоторой окружности. Центр этой окружности совпадает с осью вращения рабочего ротора 2. На рабочем роторе находятся. тары. 3. При арашенш» рабочего ротора тары последовательно проходят род каждым из питателей. Для более равномерного распределения компонентов тара устанавливается на вращающейся подставке 4. Дня предупреждения рассьіпшіад ш.миопеатов мимо тары служат отсекатели 5 . " :....

В тиетьей главе рассматривается критерий оценки качества смеси и математическая модель разработанного способа детермгашрованкаго формирования смесевых продуктов.

Качество смесевых продуктов 'оценивается с помощью критерия, называемого степенью идеатьноети смеси П, %: ’ '

..... ҐІ я 1 .^"^1x100%,

■ : . '• «о. 1

где (ІІ)у — зшропая реадіїип смеси; Н0 — сотрояия іц&алілюії в статистическом смысле смеси. ' ' '

Оценка энтропии реальной смеси по результатам анализа і проб, Содер-жаїціод компонентов, производится следующим образом: ‘

m k w j*i

где k — количество проб в выборке; m — число возможных состояний объекта (количество компонентов); си — концентрация j-ro компонента в і-ой пробе.

Энтропия идеальной в статистическом смысле системы, приходящаяся на один компонент может быть определена следующим обрізом: .

• - Im 4

Но=—¿CjlogQj.'

ти • •

Математическая модель разработанного способа детерминированного формирования смесевых продуктов имеет следующий вид:

П =* f (D, d, р, S, ц, Пр, Пт, у, fi, hi Ї, j, К, yj, Vü. t h. Vo, ß),

где D, d, Sup — геомстрическиз параметры шнека; Hj, ilj» н |»т — соответственно частота вращения j-ro ішіеіга, ратора и тары вокруг сиосй оси; у ■— насыпная плотность порошкового материала; fy ц fg —. коэффициенты трения подаваемого материала по шаеку и его ішуху; inj — порядковый номер тары,-и шпателя; П — количество тар; v;fj — начальный угол'поворота j-ro шнека;. Vjfjj — угол между ї-ой тарой и j-ьім питателем в н&чальном'полоакшгл; Vo — скорость частиц материла в момент схода их с -винтовой поверхности щнека; и

— угол медузу вектором Vo и горизонталью. . ■ '.

ч На качество смеси оказывают влияние следующие процессы: движение материала в шнеке, перестройка сечения пангеа материала при его данжегпш от питателя в тару, перемещение тары относительно читателей и паследоаа-тельность прохоодения тары под питателями. Соответственно, процесс моделирования формирования смеси был разбит на несколько этапов.

- Для описания движения порошкового материала в шнеке использована существующая модель вертикального шнекорого ттателя, в которую были внесены соответствующее ишецешг?. '

Получено слядутошее выраж-Тгие, связывающее между собой основные

- параметры, характеризующие рабслуЛЛнека в установившемся режиме:

°0r- (l-t-etgg tgft)1 : g fjCOsp(Gtg(a+Y) + tgP) ’

где «„ - частота прошения шнека; а - утол подъема типовой липпи, г - наибольший наружныйрадиус рабочей части шнека ___________ .. - .

’ Производительность шнека с учётом осевой скорости движения мате-íai^U ¿uümjv Йы1ь oi»|wwtwr no формуле: ". • '' •

Q-ii(í(D;~ci9-p(S^)tac.]v,„yo,

где D, d и p — соответственно наружный, внутренний диаметр и толщина витка шнека соответственно, мм; Vup — средняя осевая скорость движения материала, мм/с; к — безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий от-U3í>.4uwu«>'j»tc,«rfKe:; срсд:"й гчеьий спорости дайжлчгч muí ери.ала от ре<4:~-;;оп. У;~Р ~ í¡>>,. и. !Н

При ¡)dC.Ct.:¡:';H-¡:í п.-.-рг.т.чо!!?!о маз^рия^а "■ < п:./ ' -^ivi / с1; п-.'ко.'орую

фигуру (рьо 2 ) Oih •;.спрг'. г;о:гутил.ч {\''-чм;м;;;;г:го ллк>

магермхш. Поперечное- vv.-yiv.c-. c rr::';.r::i -ш. ¡;¡4-, í:., ьо'г/'птшк

!43!':uii;v горки ;*nu :*>->! '.-п'л.мефгл’по опамгег^.мо нек'.’юрИн nep ni калькой осн. Точки ;к‘ресечеН1:ч ti о;? ги;н симметрии с ггкхглос.'ыо тары м.тшгша Петром рог'еушги.т :.::ü\-¡r.'u'Sf% }pnca.mw-n ’ютсршлп r.uv-taio пшер-г.ра;аровать к«* m«i« гаякпичастИЦ материала,' обладающих средней кинетической энепп ¡."¡i .

Цля >;■}';• у.н'.п'у г. ' ;,.-;лр;. ¡х>х. i.u,и: ;,а-;;»<.':о7а ''г, г.чедуюиш

y^aincniui, описывающая явгсшше пастой; з материала после выхода ее с винтовой посермюстн .шнека: .

I 1»| '

’ где У =1— --------- — коэффициент, введенный дня упрощения записи, С) и

\0.5С, рБ

• . • ■ М

Са — постоянные интегрирования, определяемые из начальных условий.движения. . .

При построении вида поперечного сечения рассыпанного потока материала принято следующее допущение: все частивд, покинувшие винтовую поверхность шнека в достаточно малый момент времени будут располагаться пределах одного сектора. Угол при верцшне этого сектора равен углу поворота шнека. Т.о. рассыпанный поток материала можно представить состоящим из отдельных участков, образованных в течении малых промежутков времени.

Положение распыпанного потока материала на дне тары однозначно определяется кривой рассыпания — линией, проходящей через центры рассыпания различных участков. Координаты точек,' принадлежащих образованной в *-ой т;<,>е ]~ым питателем кривой рассыпания, определяются по следующим формулам: .

ІЗ

яп.і \ ЗО + V'j +

di , ;/sn?í

2;CV ЗО

f-V.J + xl "cosf-----------і

/ 2) К ЗО )

rsnTty

Уіі(*ї=

ь sH-g' + Ч', Jccs^|t f v/(j]+|s!ij-^ + V, jJ ccsH^+”sln-

¿ л.

d ■. xnrt f

.—sfn r-

cO 2 30

. - ............... . ................... .............. ; j

где b —удаление центра рассеивания от оси шнека.

Промежутки времени, з течении которых производится pacíuiiaiiis компонента >ым питателем й i-ую тару, определится по следующим формулам:

30 f п (1 -1) .

Í,, =----- —і—- + ук і +Т к;

и п п, V N і .

1Г, я (~ + ъ) + Т И; к * 1,2, , С

где Т - период оборота ротора; к - номер оборота рабочего ротора; С - число оборотов ротора, необ>:од1Шое для приготовления порции смеси трсбуе?.;ого размера. .

Для построения вида горкл материала предварительно определяется проекция потока материала на дно тары. Границы этой проекции удалены от кривой рассыпания на расстояние а/2 (рис.З).

В*

І-Ч+1

границы проекции

потока Материала

ЛИНИЯ Сопряжения ОЭ'

сєдшїх участков следа потока материала

A¡+a

след потока материала

.Рис, 3. Построение лррекц1П1 потока материала на:дао тары (А„ и А«

точки,.принадлежащие кривой рассыпания}-

Методика построения віща- поперечного сечения рассыпанного потока материала представлена-на рис.4. Общий вид поперечного сечения при расса-чешіи нескольких участков рассыпанного потока материала складывается из отдельных вилов для каждого из участков

Рис. 4а Проекция потока материала

7 И

С, с3

Рис. 46. Вид поперечного . сечения рассыпанного патока материала на участке I

Кр = \lcosam

Рис. 4в, Вид поперечного сечения рассыпанного потока материала на участке II

С3 С4 Рис, 4г. Ввд поперечного сечения рассыпанного пого-ка материала на участке Ш

С‘ С2 сз .

Рис. 4г. Полный вид поперечного сечения рассыпанного потока материала.

Рис. 4.,Построение поперечного сечения рассыпанного потока материка.

Получгліп.і.'! пос:*с л.і_-;о-.::є;ііія случайной пеличіши кріиш днскрекамру^. стся о тятелм-Дг-Прк “тог,» ;;ол}чЇЄіШи*То{Міі маїериача сішсмппеїся переменной :;рсдс і аашошей собой і о чи гину ¡-го ммкросдоя п ьоі'і і очке лискреш* .чнцин Индекс г определяет услопньш номер коміт>ііі'»та - ■

После посіроення юрок дли всех рассыпанных по і окоп .\mrepnafm, необходимо “собрать” і їх для іюс і роения полного віт сечения. Полный цмл <•<?-чеши; материала после рассыпания в нее іі„ микродоч компонентой, списика еге* массивом, содержащим іцачсшіл переманюй У/ц ■. - • '

■ . . і. . • . - - ’ ' ■ '

• ' . ' : 7 і ч о і ■? п

Ч > 1 » ’ > І ’ '

1-1 ■ . -

гдeq—количество точек дискретзицнн. '

Концентрация компонент е условным номером г в пределах микронло-•щпди, ограничивается прямыми х ” іц, х « ік, г ■= Ь1( г = Ь2. определи гея еле* дуюшим образом: ,

. . М,.1Н, . . ... . - •

■ ■ • - ' т ?.Л ■

С.'-— . _ .

г;;;, , • - ‘...і-лкі-1 >>і ; г?*.1:'.:’:.\

пссящц-лсн к] .\.у ,1 м,1> ^

ІІ+І

»

ч

V

Р??с 5. Опрело.7сттс ¿момёшари.мч П’іошадей, тшшмаемыч компонентами.

В четвертой пгш'.с представлены: '

—выбор типа алмазного инструмента для экспериментальной проверки епсо-ба детерминированного формирования смеси ; . . ; .

— исследование качества смеси, получаемой традиционным способом;

— исследование стабильности подачи порошкового материала шнековыми питателями и экспериментальная проверка разработанной модели движения потерпала в шнековом питателе;

— исследование вертикального сечения рассыпанного потока материалу

— проверка адекватности математической модели процесса детермшшроваь

ного формирования смеси; ■ •

— сравнительные исследования работоспособности алмзчі (ык инструментов,

изготовленных из алмазосодержащей смеси приготовленной, традиционным и разработанным способом.. ■ • . . • '

Экспериментальная проверка предложенного способа нолучешш смеси осуществлялась на ал:иазішх оірсших кругах на мстагаащаскоП связке марки МОЇ, предназначенных для резки камня. ■ .

В ходе исследование качества смеси, палучмихой по существующей тех- . ноло; :ш, определялась его зависимость ог времени сысашваннс. Исследованию подвергалась смесь компонентов світлі МО! приготовляемая и смесителе типа "пьяная бочка". Провгдсшшс зкспврямсты подтвердили 'предположения о сло;:аюстн зависимости качества смеси от времени смеїштанзіх. Полученные показатели качества смеси явились базовыми при дашкгшшіх исследи азях.

При исследовании подачи порошковых материалов шяекзшмм .пшате-.-ляыи проверялась стабильность выдачи потока материала да» мтлой крешзпо-дительнести (в .пределах. I—200 г/мин). 3 хода .з-кспергшептсв проверено ия>,яиие па производительность питателя вгличипи утла шкяош мшшчэй.яи-пин шнека и его частоты вращения. Погрешность «сдачи исрошкогых материалов составила не более 2% при миннмагп.нзй величино отсекаемой микродозы 0,3г. Полученные в ходе эксперимента денные использованыдля проверки модели двшкения .материала в шнеке. Установлено, что разработанная модель адекватно отражает реальный процесс. . • '

В ходе исследования вертикального сечения рассыпанного потока материала определялась зависимость л:ща горки материала от высоту расОДладоя микродозы, ее размерам самого материала •

■ По результатам экспериментов для описащщ кривой, ограничшиющей горку материала, подобрана следующая эаздаьмость: " • .

-----------------------------

í (к) = к, о ы,

где к, — коэффициент, зависящий от размера мнкродозм; к, -— коэффициент, зависящий от подаваемого материала,а —ширина основания “гер-.ш” материала; X — расстояние от центра рассеивания.

В ходе проверки адекватности разработанной глоле.п: споеобч дек-рми-иированного формирования смссеяых продуктов создан экспериментальный.

ГТс*т- Пр««п'^ттт* *»пп»то'»-ггт г» гг» гг пвпгл гтт 1»»|? плг'тотлтгапп» уотгргша

смеси составили не более 1,5% при доверительном интервале О У'/о. 1целом, качество смеси, полученной способом детерминированного формирования, оказалось выше, чем при традиционном способе.

Работоспособность инструмента оценивалась с помощью относительного расхода' алмазного порошка, представляющего собой отношение удельного расхода алмазного порошка к его номинальному значенню. По результатам эксперимента установлена зависимость работоспособности алмазного инструмента от распределение компонентов в режущем слое. Инструмент, 'пгаїоп ленный из алмазосодержащей смеси, полученной разработанным способом, показал более вь го кую стойкость. В ходе эксперимент было иодыор.кдено предположение о возмолаюсти ношения алмазного абразивного инструмента с заданным распределением компонентов в режущем слое.

В пятой главе иредсіавлепа. инженерная методика проектирования устройств, реализующих способ деіермннированного формирования смесовых продуктов, а так лее даны рекомендации по конструированию и унификации отдельных узлов и входящих в них деталей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

¡.Разработан прогрессивный способ приготовления алмазосодержащих смесей, применяемых при изготовлении алмазного абразивного инструмент па мегачлических связках методами порошковой металлургии, позволяющий повысить алмазных абразивных инструментов. . .

2. Создана математическая модель способа детерминированного формирования смесевых продуктов, связывающая качество смеси с техполопиескн-ми характеристиками смесительного устройства и физическими характеристиками компонентов алмазосодержащей смеси и позволяющая ’ропюзироваи. это качество.

3. Создано экспериментальное устройство, реализующее способ детер-

минированного формирования смесепых продуктов. С его помощью установлена адекватность разработанной математической модели реальным процес-салі, протекающим при формировании алмазосодержащих-смесей. Расхожде-' ння между экспериментальным и расчетным качеством смеси составили не более 1,5 % при доверительном интервале в 3 %. Смеси, полученные разработанным способом, имеют качество выше, чем смеси, приготовленные по традиционной технологии. '

4. Введен новый критерий оценки работоспособности алмазного абра-

зивного инструмента (относительный расход алмаза), позволяющий свести инструменты различного типа, изгоювленные из различных алмазных порошков, имеющие различные относіггельньїс концентрации алмаза в режущем слое и предназначенные для обработки различных материалов к. едішой оценочной базе. . .

5. Установлена корреляционная зависимость между распределением

компонентов в режущем слое и работоспособностью инструмента. Тем самым созданы предпосылки получения алмазного .абразивного инструмента с заданными эксплуатационными характеристиками при приготовлении алмазосодержащих смесей разработанным способом. '

6. Ра’іработаліа инженерная методика проектирования устройств, реали-

зующих разработанный способ детерминированного формирования алмазосодержащих смесей. . . .

. Основное содержание диссертации изложено п следующих раб отаї;

. 1. Евсеев A.B., Лобанов A.B., Лукаш A.H., Шевченко Л.В. Бироторная машина-для приготовления сыпучих смесей.// Сб. науч. труд. "Теоретические основы проектирования технологических систеїуг и оборудования автоматизированных производств", вып.-М’З, ВГТА, Воронеж, 1998, с. 35-42. • .

2. Лукаш А.Н., Лобанов A.B., Сотов И.Н, Шадский Г.В., Бироторная техноло-

гия приготовяештя комбинированных смесей.// ВОТ, серия 13. Комплексная автоматизация производства и роторные литій. - М.: НТЦ

"Информтехиика". - 1997. - Вып. 1(92) - 2(93)., с. 12-14. .. .

3. Лобанов A.B., Лукаш А,H., Сотов И.Н., Чернов А.Ю. Автоматизация приго-

товления порошковых-абразітосодержаших'смесей.. - Тула: ТулГУ, IS’96, с. 160- 164. ;

4. Лобанов А В., Лукаш А.Н., Сотов ИЛ. Исследование многокомпонентных-----------

алмазосодержащих смесей, используемых при мчготоаченин плмашого инструмента Международна юбилейная научно-техническая конференция "Профсссивные мечолы проектирования юхноло! ических процессов, ме-пшюрежуших станков и инезруменкж" (Чх>риик 1р\7юв - ¡уча. Ту.ч! >.

] 997, с.64

Иплшюшо в печап, <3 И Ш фирм» г бумага 60x84 1/16. Бумага типографская Л» 1 Офссгная п(-ч;п1.. УЪ, пс,( г, /у . у„. , у/ ' у„ ,

1<фа;к- Ъ-> ли. Заказ .

Тульский "Н!яарсг»с11ш,1Й уннперапс.. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92.

1(5(>лпп1,И(т"0’ 1,:,л“тсльск,,й 11011'Р тульского государственного университета. 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛОБАНОВ Александр Владимирович

УДК 621.922: 621.921.34

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНЫХ АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Шадский Г. В. Научный консультант— кандидат технических наук,

доцент Сотов И.Н.

Тула - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................. 7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1. Анализ существующей технологии изготовления алмазных режущих инструментов методами порошковой металлургии

1.1.1. Типовые технологические процессы изготовления алмазных режущих инструментов методами порошковой металлургии............ 11

1.1.2. Металлические связки, применяемые при изготовлении алмазного режущего инструмента методами порошковой металлургии........ 20

1.2. Недостатки, свойственные существующей технологии изготовления

\

алмазного режущего инструмента методами порошковой металлургии. . . 22

1.3. Анализ процессов получения смесей порошковых материалов в смежных отраслях.

1.3.1. Выбор смежных отраслей, в которых решаются сходные задачи смешивания порошковых материалов............................. 30

1.3.2. Получение смесей порошковых материалов при изготовлении деталей из композитных материалов.............................. 31

1.3.3. Получение смесей порошковых материалов при изготовлении твердосплавных пластин для режущего инструмента............... 33

1.4. Цель и задачи исследования.........................................35

2, РАЗРАБОТКА СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ СМЕСЕВЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ АЛМАЗНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ И СХЕМЫ ЕГО РЕАЛИЗ АЦИИ.

2.1. Детерминированное формирование смесевых продуктов........... 37

2.2. Разработка схемы реализации способа детерминированного формирования смесевых продуктов.

2.2.1. Выбор способа соединения питающих потоков................ 40

2.2.2. Выбор числа тар для объединения питающих потоков.......... 41

2.2.3. Выбор питателей, применяемых для выдачи компонентов смеси.

2.2.3.1. Анализ существующих типов питающих устройств и выбор оптимальных вариантов...................................... 43

2.2.3.2. Выбор компоновки шнекового питателя.................. 48

2,2.4. Схема устройства, реализующего способ детерминированного формирования смеси............................................. 50

2.3. Выводы.................................................... 52

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СМЕСИ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫМ СПОСОБОМ .

3.1. Выбор критерия оценки качества смеси порошковых материалов. ... 53

3.2. Математическая модель способа детерминированного формирования смесевых продуктов 56

3.3. Этапы процесса моделирования детерминированного формирования алмазосодержащей смеси.

3.3.1. Процесс движения материала в шнековом пита'вле. 58

3.3.2. Определение дальности разброса материала шнековым питателем.

3.3.2.1. Движение частицы материала после выхода из шнека....... 65

3.3.2.2. Применение законов движения частицы материала после ее выхода из шнека для всего потока материала..................... 68

3.3.3. Определение положения рассыпанного потока материала в таре 3.3.3.1. Построение кривых рассыпания......................... 70

3.3.3.2, Определение участков кривой рассыпания, влияющих на вид сечения рассыпанного потока материала........................ 76

3.3.4. Определение вида поперечного сечения рассыпанного потока материала.

3.3.4.1. Построение проекции рассыпанного потока материала на дно тары................................................... 78

3.3.4.2. Построение вида сечения рассыпанного потока материала с помощью его проекции. 83

3.3.4.3. Построение вида поперечного сечения материала после подачи в тару нескольких компонентов........................... 87

3.3.5. Определение концентрации компонентов в пределах микроплощадей........................................................ 91

3.4. Выводы................................ ...........................92

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Тип алмазного инструмента для экспериментальной проверки способа детерминированного формирования смеси........................ 93

4.2. Исследование качества смеси, получаемой в смесителе периодического действия.................................................. 94

4.3. Определение точности подачи малых доз материала шнековыми питателями и экспериментальная проверка полученного уравнения материала в шнековом питателе....................................... 100

4.4. Исследование вида поперечного сечения рассыпанного в тару потока материала...................................................... 104

4.5. Проверка адекватности математической модели процесса детерминированного формирования смеси.

4.5.1. Цели и этапы исследования............................... 114

4.5.2, Исследование качества смеси компонентов связки и сравнение

его с расчетными данными...................................... 112

4.5.3. Исследование качества алмазосодержащей смеси и сравнение его с расчетными данными........................................ 114

4.6. Исследование работоспособности алмазного инструмента.

4.6.1. Цели и этапы исследования................................ 119

4.6.2. Выбор критерия оценки работоспособности алмазного абразивного инструмента.............................................. 120

4.6.3. Установление корреляционной зависимости между относительным расходом алмаза и распределением компонентов в режущем слое инструмента................................................. 121

4.6.4. Сравнительное исследование работоспособности алмазного инструмента, изготовленного из формовочной смеси, приготовленной способом детерминированного формирования смесевых продуктов. ... 125

4.7. Выводы.................................................... 128

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ, ДЛЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО ФОРМИРОВАНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕ Й.

5.1. Предварительное определение параметров установки.

5.1.1. Выбор размеров микродоз компонентов и производительности

питателей.................................................... 130

5.1.2. Предварительный расчет шнековых питателей. ............... 131

5.1.3. Определение высоты рассеивания и дальности разброса порошкового материала.............................................. 133

5.1.4. Проектирование рабочего ротора. 5.1.4.1. Выбор тары.

А. Совершаемые тарой движения........................... 135

Б, Форма тары...................................................................136

В. Расчет размеров тары........................................................................139

5.1.4.2. Определение основных параметров рабочего ротора.

A. Определение размеров рабочего ротора........................................141

Б. Определение числа позиций на рабочем роторе............................144

B. Определение частоты вращения рабочего ротора..........................145

5.1.5. Корректировка производительности питателей...................146

5.2. Расчет качества смеси, достигаемого при заданных технологических параметрах..........................................................................................................148

5.3. Рекомендации по конструктивной проработке элементов

5.3.1. Проектирование шнекового питателя

5.3.1.1. Конструкция шнекового питателя с вертикальной подачей материала...................................................148

5.3.1.2. Рекомендации по конструированию и унификации элементов шнекового питателя.................................................................152

5.3.2. Проектирование элементов ротора..................................................154

5.4. Возможные конструкции устройств смены тары. ...........................157

5.5. Выводы........................................................................................................160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ..................................163

Приложение 1. Унифицированные значения размеров основных элемв-тов шнека

Приложение 2. Возможные области применения разработанного способа детерминированного формирования смесевых продуктов. Приложение 3. Документы о возможности внедрения результатов рабЬ-

ты

ВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших направлений развития машиностроения является повышение качества продукции при снижении ее себестоимости. Расширение изготовления деталей из закаченных, жаропрочных и твердых сплавов, повышение требований к точности обработки и качеству поверхности и одновременное совершенствование способов получения заготовок привели к перераспределению операций механического обработки, сокращению обдирочных и черновых и увеличению чистовых операций. В связи с этим широкое применение получила абразивная обработка, в том числе инструментами из сверхтвердых абразивных материалов — природных и синтетических алмазов и кубического нитрида бора. Абразивная обработка позволяет повысить производительность, геометрическую точность и качество обработки. Опыт длительного применения инструментов из сверхтвердых абразивных материалов показал их высокую экономическую и технологическую эффективность. При этом качество и долговечность машиностроительной продукции неразрывно связано с применением новых, более прогрессивных методов обработки и существенно зависят от условий выполнения финишных операций, в результате которых формируются эксплуатационные свойства рабочих поверхностейдеталей.

Для получения того или иного эксплуатационного свойства изготовляемой детали, зависящего от качества ее поверхности, необходимо установить функциональную связь между характеристиками обрабатываемой поверхности, условию обработки и применяемым инструментом. В настоящее время имеется большое количество наработок в этом направлении. [49, 57, 72 - 76, 78, 85, 86, 90]. В свете решения указанной задачи ужесточаются требования, предъявляемые к применяемым инструментам. Все чаще ставится задача получения инструмента с заданными показателями. Для алмазных шлифовальных

кругов это может быть, например, определенное распределение алмазных зерен в режущем слое.

Многообразие задач, решаемых алмазно-абразивной обработкой, привело к появлению широкой гаммы соответствующих типов инструмента, а так же способов его изготовления. К числу перспективных способов изготовления инструментов из алмазных порошков относится их изготовление на металлических связках методами порошковой металлургии. Работоспособность алмазных абразивных инструментов напрямую зависит от распределения алмазных зерен в режущем слое. Распределение же алмазных зерен в режущем слое инструментов, изготовленных на металлических связках методами порошковой металлургии, закладывается на этапе получения алмазосодержащей смеси.

В последние 20 —30 лет совершенствование технологии изготовления инструментов из алмазных порошков на металлических связках методами порошковой металлургии идет преимущественно в двух направлениях:

— разработка новых рецептур связок, лучше удерживающих алмазные зерна, имеющих более высокую износостойкость и т.д.;

— создание более производительных способов брикетирования рабочего слоя инструмента из формовочной массы (алмазосодержащей смеси).

В тоже время, сам процесс получения алмазосодержащих смесей, от качества которых зависит работоспособность алмазного абразивного инструмента, существенных качественных изменений не претерпел. Приготовление смесей многокомпонентных порошковых материалов является одной из немногих производств, построенных исключительно на основе экспериментальных данных. По этой причине новые технологии в данной области продвигаются с большим трудом.

Качество алмазосодержащей смеси, получаемой в рамках разработанной более 30 лет назад технологии, и изготовляемого из нее методами порошковой

металлургии алмазного абразивного инструмента не отвечают современным требованиям. Назрела необходимость качественного изменения этой ситущии.

Современные тенденции в области приготовления смесей многокомпонентных порошковых материалов заключаются в сокращении времени смешивания, за счет того, что поступающая в зону перемешивания исходная масса предварительно подготовлена и близка по своей структуре к готовой смеси [8 -19, 36]. Однако не всегда удается существенно сократить время и повысить качество приготовления смеси. Это свидетельствует об актуальности проблемы разработки способа приготовления алмазосодержащих смесей для изготовления алмазных абразивных инструментов, лишенного указанных выше недостатков.

Данная работа посвящена повышению производительности и качества, а так же снижению себестоимости изготовления алмазных абразивных инструментов путем разработки прогрессивного способа и оборудования для получения высококачественных алмазосодержащих сшсей.

Автор защищает следующие теоретические и практические результаты работы:

1. Способ повышения качества и производительности изготовления алмазных абразивных инструментов, изготовляемых на металлических связках методами порошковой металлургии, путем применения разработанного способа детерминированного формирования алмазосодержащих смесей.

2. Модель способа детерминированного формирования смесевых продуктов, связывающую качество их получения с технологическими параметрами устройства и физическими свойствами исходных порошковых компонаггов.

3. Предложенный критерий оценки работоспособности алмазного абразивного инструмента.

4. Инженерную методику проектирования устройств, реализующих разработанный способ детерминированного формирования смесевых продуктов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Доказана возможность повышения качества алмазных абразивных инструментов за счет детерминированного формирования алмазосодержащих смесей.

2. Создана математическая модель процесса детерминированного формирования алмазосодержащих смесей, позволяющая прогнозировать качественные характеристики (однородность распределение компонентов) смеси по технологическим режимам процесса и параметрам исходных материалов.

3. Введен и обоснован критерий оценки работоспособности алмазного абразивного инструмента — относительный расход алмаза Установлена зависимость между распределением компонентов в режущем слое инструмента и относительным расходом алмаза.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны и изготовлены экспериментальные установки, которые обеспечивают исследование процессов дозирования и смешения порошковых материалов способом детерминированного формирования смесевых продуктов в широком диапазоне изменения количественных соотношений.

2. Проведены эксперименты, подтверждающие соответствие результатов численного моделирования процессов, протекающих при формировании смеси разработанным способом, данным экспериментальных исследований;

3. Обоснован выбор геометрических и технических параметров устройств, реализующих разработанный способ детерминированного формирования алмазосодержащих смесей. Разработана инженерная методика их проектирования.

4. Разработана и апробирована оригинальная конструкция шнекового питателя.

1, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1 Анализ существующих технологий изготовления алмазных режущих инструментов.

1.1.1 Типовые технологические процессы изготовления алмазных

режущих инструментов методами порошковой металлургии.

Существует несколько способов изготовления режущего инструмента с использованием алмазных порошков. Наиболее распространено спекание изделий в пресс-формах с последующей горячей допрессовкой [35, 56, 66, 68, 69, 75, 84]. Схема типового технологического процесса изготовления алмазных инструментов на металлической связке методами порошковой металлургии представлена на рис. 1. При изготовлении некоторых разновидностей инструментов может быть добавлен или исключен ряд операций, но существенного изменения технологический процесс не претергавает.

На этапе подготовки алмазных порошков осуществляется их увлажнение и отбор порций требуемой величины. Увлажнение порошков улучшает процесс гетерогенного смешивания со связкой, способствует закреплению зерен компонентов и тем самым предотвращает сегрегацию приготовленной смеси на последующих этапах изготовления инструмента. В качестве увлажнителя применяются вазелиновое масло или 20 %-ый раствор глицерина в спирте. Увлажнитель добавляется в количестве примерно 0,085 г на 1 карат алмазного порошка, что составляет 0,5-2 % массы готовой формовочной шихты [66, 79].

В ряде случаев, с целью улучшения смачиваемости алмазных зерен жид-кофазной составляющей связки при спекании и последующей горячей допрес-совке, на этапе подготовки в алмазные порошки вводятся специальные добав-

Рис.1. Схема типового технологического процесса изготовления алмазного режущего инструмента на металлических связках методами порошковой металлургии.

ки или осуществляется их метшшизация. Специальные добавки пли металлизацию применяют преимущественно при использовании алмазных порошков природного происхождения, обладающих худшей смачиваемостью по сравнению с синтетическими [56., 68, 77]. Смешивание алмазных порошков с добавками обычно осуществляется вручную.

Подготовка компонентов связки включает просеивание готовых порошков через с