автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Улучшение технологических свойств высокопористой абразивной массы для изготовления крупногабаритных шлифовальных кругов

На правах рукописи УДК 621.922.001. 24:681.3.067(043.3)

6 в:; та

ВАРНАВСКИЙ ВАЛЕРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПОРИСТОЙ АБРАЗИВНОЙ МАССЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ.

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физикО' технической обработки, станки и инструмент

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Автореферат

МОСКВА - 1997

Работа выполнена в Московском Государственном Технологическом Университете "Станкин".

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор В. К. Старков

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В. В. Журавлев

кандидат технических наук, В.К. Ермолаев

Ведущее предприятие - ОАО "Московский абразивный

завод"

Защита диссертации состоится апреля 1997 г., "часов на заседании специализированного Совета К 063.42.05 при Московском Государственном Технологическом Университете "Станкин", по адресу:

101472, ГСП, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "Станкин".

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

Автореферат разослан "М" марта 1997 г.

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

Ю. П. Поляков

Общая характеристика работы.

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

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

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

Одним из направлений совершенствования является создание высокопористого инструмента. Практика их применения в машиностроении дает возможность сделать заключение о чрезвычайно перспективности этого класса инструмента как для традиционных методов обработки — шлифования, хонингования, суперфиниширования и др., так и для внедрения новых прогрессивных высокопроизводительных схем резания. Однако, широкое использование высокопористого абразивного инструмента в машиностроении сдерживается двумя важными обстоятельствами. С одной стороны, известные технологии его изготовления, основанные на применении выгорающих органических и неорганических порообразовагелей, не отличаются экологической чистотой. С другой стороны, эти технологии сужают уровень эксплуатационных свойств получаемого инструмента вследствие нестабильности его физико-механических характеристик по объему, повышенного дисбаланса, низкой разрывной прочностью и др.

Сложной проблемой остается изготовление высокопористых шлифовальных кругов больших размеров с диаметром 300 ... 600 мм и более. Главная трудность здесь заключается в низкой прочности абразивной массы, которая предопределяет возможность разрушения инструмента при его прессовании, транспортировке, сушке и спекании.

Решение этой проблемы весьма актуальна, так как в общей потребности машиностроительных заводов в абразивных шлифовальных кругах инструмент с большими размерами преобладает: его удельный вес составляет 60 ... 80% от общего объема.

Данная работа выполнена в соответствии с планом Международного научно-технического проекта "Разработка высокопористого абразивного инструмента повышенной производительности и экологически чистой технологии его изготовления" совместно с Техническим университетом г.Хемниц-Цвикау(ФРГ) и Германской научно-технической программой "СУХОЕ ШЛИФОВАНИЕ", которая выполняется совместно с рядом немецких фирм и институтов.

Работа является продолжением исследований по высокопористому абразивному инструменту закрытой структуры, выполняемых в МГТУ "Сганкин" под руководством проф. д.т.н. Старкова В.К. Принципиально новое достижение данного исследования, по мнению автора, — это разработка, изготовление, испытание и промышленное внедрение высокопористых шлифовальных кругов закрытой структуры больших размеров с диаметром ЗОр ... 600 мм и высотой до 125 мм, эксплуатационные характеристики которых превосходят известные отечественные и зарубежные аналоги.

Цель работы. Целью данной работы являлось расширение объемов применения прогрессивного абразивного инструмента путем создания высокопористых шлифовальных кругов больших размеров.

Методика исследования. Основные положения и выводы работы обобщены с позиции теории шлифования, теории вероятности и математической статистики, достоверность полученных результатов

подтверждается лабораторными—и—заводскими_испытаниями,

практикой внедрения в промышленности.

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

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

При разработке программы оптимизации рецептуры абразивной массы применялся аппарат технических и программных средств IBM PC.

Научная новизна работы заключается в:

• выявленных закономерностях совместного влияния абразивных зерен, корундовых микросфер и керамической связки на технологические свойства высокопористой абразивной массы (механическую прочность, модуль упругости, выгораемость и др.)

• разработанных математических моделях связи масштабного фактора и состава высокопористых шлифовальных кругов с твердостью и ее стабильностью в объеме инструмента.

Практическая ценность работы заключается в:

• разработанных рекомендациях по улучшению технологических свойств абразивной массы, что обеспечивает бездефектное изготовление высокопористого инструмента больших габаритов;

• программе оптимизации высокопористых шлифовальных кругов закрытой структуры с учетом их масштабного фактора (до 0600 мм);

• изготовлении и испытании нового инструмента для шлифования без применения охлаждающих сред.

Реализация работы. Разработанные рецептуры и технологии изготовления крупногабаритного высокопористого инструмента закрытой структуры внедрены на АОЗТ "Экоабразив", а также используются при его изготовлении на АО "Абразивный завод "Ильич". Новые высокопористые крути проходят испытания для шлифования без применения охлаждающих сред.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы демонстритовались на 4"й международной выставке «ПОДШИПНИКИ-93» (г.Москва), и 1'й машино-технической ярмарке «МАШИНЭКСПО-93» (г.Москва) и были изложены на VI научном семинаре "Высокие технологии в машиностроении: диагностика процессов и обеспечение качества", "Интерпартнер-96" г. Алушта (1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы две печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключение, списка литературы /119 наименований/ и приложения. Она изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 34 таблицы.

Содержание работы.

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

В первой главе проведен анализ состояния вопроса, приведен литературный обзор о высокопористом абразивном инструменте больших размеров и особенностях его изготовления и опыте применения. Проведен сравнительный анализ исследований по высокопористым кругам закрытой структуры, сформулированы цель и основные задачи исследования.

Применение крупногабаритных шлифовальных кругов обусловлено, с одной стороны, конструктивными особенностями обрабатываемых деталей и соответственно необходимостью обработки одной или нескольких поверхностей одновременно (например, врезное шлифование шеек коленвалов или глубинное шлифование замков лопаток газотурбинных двигателей) С другой стороны, использование шлифовальных кругов с большими диаметрами и высотами обеспечивает наибольшую площадь контакта абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью и соответственно наибольшее число режущих элементов, удаляющих обрабатываемый материал. Это, в свою очередь, обеспечивает повышенный съем материала, меньшую удельную нагрузку на инструмент, улучшенные условия для его работы и, следовательно, более высокую эффективность процесса резания в целом.

По экспертным оценкам специалистов ВНИИАШ потребность в высокопористых шлифовальных кругах для машиностроения России составляет:

• для обработки деталей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов на предприятиях авиационного, энергетического и оборонного машиностроения круги диаметром 400...800 мм и высотой 8...40 мм — 880 тыс.штук;

• для обработки деталей на предприятиях сельхозмашиностроения и автомобильной промышленности круги диаметром 300...1100 мм и высотой 16... 250 мм — 250 тыс. штук.

Технологический процесс изготовления абразивных кругов на керамической связке в принципе аналогичен для инструмента с нормальной и повышенной (с номерами 10 - 14 и более) структурой.

нако при изготовлении крупногабаритного инструмента особенно сокопористош требования к каждой из технологических операций :есточается. Это связано с необходимостью обеспечить высокую дородность по объему абразивной массы и равномерность ее огрева при термической обработке.

В это связи интересен опыт таких зарубежных фирм по оизводству абразивного инструмента, как FAG, ATLANTIC (ФРГ), DRTON (Франция) и др. Дозирование всех компонент абразивной [ссы производится с точностью до третьего знака после запятой (до ) независимо от объема навески. Высокое качество прессования рантируют специализированные прессы канадской фирмы JTOMATED EQUIPMENT LTD, которые обеспечивают высокую дородность абразивной массы в объеме инструмента за счет ее >слойного нанесения в прессформу и двойной подпрессовки. эрошее качество инструмента обеспечивают также прессы рманской фирмы RYPL-DYCKERHOSS LUBEK.

Для высокотемпературного обжига высокопористого эупногабаритного инструмента используются камерные печи гриодического действия с рабочим объемом 10 м3 указанной выше шадской фирмы или германской фирмы RIEOHAMMER. Эти печи ¡рантируют колебание температуры в рабочем пространстве печи 5°, в то время как отечественные печи обеспечивают разброс эмпературы не менее ±20 - 30°С.

Однако несмотря на жесткое соблюдение дисциплины 1лиф0вальные круги зарубежных фирм, также как и отечественные е отличаются стабильностью своих эксплуатационных свойств, а для ысокопористых кругов процесс их изготовления к тому же опровождается большим процентом (до 20%) брака из-за разрушения а стадиях формования и термической обработки.

Обобщение ранее проведенных исследований позволило становить, что введение в структуру абразивного шлифовального :руга корундовых микросфер не оказывает практически влияния на вердосгь инструмента. Наблюдаемое при этом изменение твердости ie выходит за пределы одной степени. Существенное влияние сорундовые микросферы оказывают на стабильность твердости по )бъему высокопористого шлифовального круга. С увеличением относительного объемного содержания в круге корундовых .шкросфер среднеквадратичное отклонение глубины лунки как сритерия стабильности уменьшается и при оптимальном содержании эавно нулю.

При введении корундовых микросфер в шлифовальный круг формируется каркас из абразивных зерен и корундовых микросфер, соединенных между собой керамической связкой, и устойчивой

высокотемпературной деформации при спекании инструмента. По мере возрастания относительного содержания корундовых микросфер в высокопористом круге его деформация резко уменьшается с 7,4% до 0,4% при оптимальном содержании.

Введение корундовых микросфер в состав абразивной массы во всех случаях способствует уменьшению деформации шлифовального круга при спекании. Интенсивность уменьшения деформации круга в зависимости от количества вводимого наполнителя будет тем больше, чем выше номер структуры. Если для кругов с 6 структурой увеличение содержания корундовых микросфер в объеме инструмента с 3 до 20% при постоянном содержании керамической связки 8% обеспечивает снижение деформации с 0,8 до 0,5% или в 1,6 раза, то для 14 структуры это уменьшение составило с 7,2 до 3,4% или в 2,1 раза. Если для 6 структуры нет необходимости введения корундовых микросфер, то для шлифовальных кругов с 14 структурой эта процедура обеспечивает формирование высокопористой структуры абразивного инструмента с сохранением расчетной пористости. С другой стороны при введении в больших количествах корундовых микросфер уменьшается твердость инструмента и тем значительней, чем выше номер структуры и соответственно меньше объемное содержание абразивных зерен в шлифовальном круге.

Большинство полученных ранее данных получены в основном при изучении рецептур и испытаниях шлифовальных кругов с диаметром от 50 до 250 мм, в меньшей степени в известной статистике представлен инструмент больших габаритов.

Во второй главе рассмотрены результаты исследований по улучшение технологических свойств высокопористой абразивной массы.

Основной проблемой при изготовлении высокопористых шлифовальных кругов больших размеров среди прочих является проблема улучшения технологических свойств абразивной массы. Технологические свойства или технологичность абразивной массы определяется ее механической прочностью, сыпучестью, формуемостью, кромкостойкостью формы при прессовании, склонностью к образованию комков, смешиваемостью и т.д. Не все

указанные свойства—можно—объективно_оценить или измерить,

поэтому в данной работе исследовались свойства высокопористой абразивной массы, количественные оценки которых стандартизованы и поддаются измерению.

Рецептурный состав высокопористой абразивной массы изменялся в широком диапазоне и включал в себя изменение относительного содержания абразивного зерна различной зернистости из электрокорунда белого марок 22А и 25А, корундовых микросфер и

керамической связки марки К5, а также керамических связок производства фирмы FAG V201, V1219 и V4014.

При изготовлении высокопористых шлифовальных кругов особенно сложных форм и больших габаритов особое значение приобретает механическая прочность сырца. Это относится не только к устойчивости формы инструмента при прессовании, но, прежде всего, при его транспортировке, что часто приводит к браку (разрушению).

Механическая прочность изучалась на сырце — образцах абразивной массы, приготовленной К формованию.

Прочность сырца на излом измерялась с помощью прибора Ватти, принцип действия которого основан на измерении длины части бруска, сломавшегося под действием собственной массы при консольном расположении бруска. Прочность на излом вычисляли по следующей формуле:

(1)

где р — плотность (удельный вес) образцов в г/см3,

1 — длина отламывающихся частей бруска,

h — высота бруска в мм.

Размеры брусков, принятые в исследовании, составляли 35x13x245 мм.

Эксперимент для оценки прочности повторяли не менее 3s раз.

На фирме FAG механическую прочность абразивной массы в сыром виде и после обжига определяли испытанием на изгиб, схема которого показана на рис.1.

Образцы во всех случаях имели одинаковые размеры 15x20,4x50

мм.

Расчет прочности осуществлялся по формуле:

3 FI

где F — разрушающее усилие, 1о — приведенная длина образца (см. рис.2.1), b — ширина и h — высота прямоугольного образца.

Количество повторений при испытании на прочность при изгибе составляли 12 раз на образцах из сырой абразивной массы и 20 раз на образцах из обожженной абразивной массы. Разрушающее усилие устанавливалось на приборе автоматически и изменялось в диапазоне: для сырых образцов F= 20...98 Н и для обожженных образцов F= 580... 1860 Н.

>

Рис.1. Схема определения прочности на изгиб образцов из высокопорисгой абразивной массы.

Прочность сырых образцов из абразивной массы зависит от степени ее увлажнения, поэтому в исследованных составах поддерживалась влажность не более 1,8 - 2,5%.

Навеска, смешивание, формование, сушка, обжиг и механическая обработка исследованных образцов и шлифовальных кругов производились по технологическому процессу и на оборудовании соответственно ВНИИАШ, завода "Ильич" и фирмы FAG.

Установлено, что применение, например, в небольших количествах корундовых микросфер существенно увеличивает механическую прочность сырца. Гак, измерения ВНИИАШ на образцах, изготовленных из формовочной массы 14 структуры с -электрокорундовым зерном 25А25 (объемная масса 1,81 г/см3) для кругов с твердостью СШ;СМ2~(глубина лунки-5,2-5т7-мм),_показали!^ что их механическая прочность составляет 3,78-10"2 МПа, что соответствует механической прочности сырца 6 структуры твердости СМ1-СМ2, зернистости 25.

Прочность формовочной массы исследованных рецептур в 1,9-2,5 раза больше, чем у сырца высокопористого круга 25А10ВМ212К5П40-10 на перлите (прочность равна 0, 148 г/см2), т.е. отечественного аналога высокопористого крута с открытой структурой.

и

Закономерности по рассеянию значений механической прочности у сырых и обожженных образцов характерны для всех исследованных керамических связок (табл.1.) одинаковым образом сопротивляются механическому разрушению.

Таблица 1.

Диапазон изменения механической прочности на изгиб сырых и обожженных образцов и их коэффициенты вариации.

Исследованная характеристика прочности на изгиб Керамическая связка

К5 У201 У1219 У4011

сырец, кг/см2

диапазон значений 5.1...10.5 3.3...22.0 8.9...18.1 4.6...25.1

коэф-т вариации, % 5.5...9.4 2.8...9.5 3.7...9.3 8.7...10.1

после обжига, МПа

диапазон значений 9.7...22.8 7.2...15.6 9.3...21.2 3.7...12.0

коэф-т вариации, % 11.8...17.4 8.1...18.9 8.1...19.8 13.6...23.6

Наряду с механической прочностью высокопористой абразивной массы в данной работе исследовались также:

• удельный вес (плотность) в сыром и обожженном виде;

• твердость образцов после обжига;

• коэффициент вариации твердости;

• модуль упругости образцов после обжига;

коэффициент вариации модуля упругости в зависимости от относительного содержания абразивного зерна и керамических связок К5, У201, У1219 и У4011.

Достоинством проведенных исследований является взаимосвязанное изучение на одних и тех же составах высокопористой абразивной массы различных ее свойств, как технологических, определяющих ее технологичность в изготовлении инструмента, так и эксплуатационных характеристик абразивного инструмента.

В целом можно отметить, что состав высокопористой абразивной массы оказывает большое влияние на исследованные ее технологические и эксплуатационные свойства. Особенно большое значение имеет состав и количество вводимой керамической связки. В этой связи исследования показали, что применяемая в изготовлении керамическая связка К5 вполне конкурентна способна с зарубежными прототипами, обеспечивает высокий уровень экологической

безопасности в производстве абразивного инструмента и хорошие его эксплуатационные свойства.

Важно также подчеркнуть, что оптимизация состава абразивной массы дает возможность варьировать эксплуатационными свойствами высокопористого инструмента в широком диапазоне и гарантировать экологически чистое его производство за счет применения в качестве порообразователя невыгораюгцих корундовых микросфер.

Результаты комплексных исследований, приведенных в данной главе, дают возможность сделать в целом очень важные выводы. С одной стороны, установлена возможность улучшения технологических свойств высокопористой абразивной массы за счет введения корундовых микросфер и оптимизации ее состава.

С другой стороны, установленная взаимосвязь механической прочности, плотности, твердости и модуля упругости позволяет на этапе разработки рецептуры высокопористого шлифовального круга и приготовления формовочной абразивной массы прогнозировать его эксплуатационные свойства и их стабильность в объеме одного и партии из нескольких инструментов.

В третьей главе проведено моделирование эксплуатационных свойств высокопорисгых шлифовальных кругов с учетом их габаритов.

В общей сложности бьу\о исследовано 55 различных типоразмеров и характеристик шлифовальных кругов закрытой структуры, размеры которых изменялись от ПП 16x16x6 до ПП 600x80x203.

Крути условно разделены на круги нормальных размеров (диаметром от 16 до 300 мм) и шлифовальные круги больших размеров (диаметром от 300 до 600 мм). В дальнейшем статистический анализ и математическое моделирование выполнялось для двух вариантов: только больших кругов и для кругов нормальных и больших размеров.

В исследованных шлифовальных кругах рецептурный состав высокопористой абразивной массы изменяется в следующих диапазонах:

• по размеру абразивного зерна 100...500 мкм; номера зернистости 10, 16, 25, 32, 70 и 50;

» по объемному содержанию:___

абразивного зерна 26—74%, (номера структуры 9... 18), керамической связки 4.8...16.6%, корундовых микросфер 3...50%, стеклянных микросфер 5...25%. Другие параметры инструмента и его свойства изменялись в диапазонах:

характеристический размер 1х 22.6...605.3 мм;

твердость круга Ьл 1.5...8.0 мм;

индекс твердости ВМ1...СТЗ;

СКО твердости, мм 0.09...0.69;

деформация круга, % 0.42... 16.8.

Чтобы связать габариты шлифовальных кругов, т.е. их масштабный фактор, с одной какой-либо его размерной характеристикой для дальнейшего рассмотрения было предложено:

7Г

• объем шлифовального круга Ц/ =—(В1-с12)-Н, [см3];

• диагональ круга ¿т = -¡й1 + II*, [см].

Сравнительная оценка указанных характеристик проводилась на статистической выборке из 14 шлифовальных кругов по степени влияния на их твердость по глубине лунки и среднеквадратичное ее отклонение.

Изучение и сопоставление экспериментальных данных о шлифовальных кругах больших размеров позволяет сделать вывод, что по всем исследованным статистическим характеристикам диагональ круга Ьх оказывает более сильное влияние на твердость круга и ее среднеквадратичное отклонение, чем объем круга У/.

Таким образом диагональ круга Ьх выбирается в качестве характеристического размера шлифовального круга, который в достаточно полной мере учитывает масштабный фактор инструмента.

Результаты корреляционного анализа показали, что масштабный фактор является преобладающим среди других параметров состава круга по влиянию на твердость высокопористых шлифовальных кругов закрытой структуры и ее стабильностью Очень важно отметить, что чем шире исследуемый диапазон размеров шлифовальных кругов, тем более явным образом проявляется влияние характеристического размера Ьх на твердость и ее стабильность. Так для диапазона диаметров кругов 300.. .600 мм величина коэффициентов парной корреляции и ее СКО равняется 0.046 и 0.189 соответственно, а для более расширенного диапазона диаметров кругов от 16 до 600 мм эти значения возрастают: 0.341 и 0.321 соответственно. Это является дополнительным подтверждением необходимости учета масштабного фактора инструмента при разработке рецептур состава высокопористой абразивной массы в целом, а в его качестве рассматривать характеристический размер круга Ьх.

Все варианты разработанных с помощью ЭВМ математических моделей в виде логарифмических полиномов 1-й степени приведены в табл.2, где также представлены статистические характеристики адекватности моделей опытным данным.

Впервые разработаны обобщенные статистические модели связи 5 основных параметров рецептурного состава высокопористых кругов закрытой структуры и масштабного фактора инструмента через его характеристический размер с твердостью и ее стабильностью в объеме инструмента. В соответствии с представленными моделями с увеличением габаритов высокопористого инструмента при постоянном его рецептурном составе увеличивается глубина лунки, т.е. уменьшается твердость, и возрастает среднеквадратичное отклонение, т.е. снижается стабильность твердости в объеме инструмента.

В четвертой главе проведена оптимизация рецептурного состава высокопористых шлифовальных кругов с учетом масштабного фактора.

В общем виде задача параметрической оптимизации абразивного инструмента представляется в виде:

О = ехИг0{х^) \ х< О}, (2)

при технологических ограничениях вида

д(хл*) < 0;

2 0; (3)

а, < к, < Ь^

где - критерий оптимизации, назначение которого зависит от

требований к процедуре оптимизации и набора оптимизирующих X — постоянных со параметров инструмента;

Б — область допустимых значений оптимизирующих параметров;

а( и Ь{ — постоянные. Критерием оптимизации состава абразивной массы принята ее стоимость:

С^ТУх^гЛ (4)

где <*!- относительное объемное содержание компонента абразивной массы (зерно, связка, наполнители, декстрин, жидкое стекло и т.д.) уЬ их удельный вес, Рг их стоимость, Ш- объем шлифовального круга.

^Предлагается_новая концепция оптимизации состава

высокопористых шлифовальных кругов, которая—учитывает их масштабный фактор. Как уже было показано выше, при оптимизации состава абразивной массы крупногабаритных кругов необходимо учитывать механическую прочность сырца, чтобы получить инструмент вообще (без разрушения на всех этапах изготовления) и учесть коррекцию на расчетную величину твердости, чтобы обеспечить заданные характеристики по качеству,

Таблица 2.

Математические модели связи твердости и ее стабильности с параметрами состава и характеристическим размером крута.

Модель связи Характеристики адекватности модели

КМК 1-Й2 остаточная дисперсия огношение

Для шлифовальных кругов с диаметром 300...600 мм.

1пЬл = 1.734-0.3631пА3-0.2981пУэ + 0.6181пУмс + 0.2991пУст-0.б311пУсв 0.755 0.423 0.512 5.571

1пЬл = 1.382-0.3741пА3-0.2221пУ3 4- 0.6241пУмс + 0.2791пУст-0.6241пУса + 0.0601пЬх 0.756 0.426 0.536 4.439

1паЬл = 4.128 4- 0.151пАз + 1.6371пУэ + 0.8231пУмс + 0.7661пУст-0.6151пУсв 0.651 0.576 0.785 1.621

100^=2.399 + 0.1891пАэ + 1.9471пУ3 + 0.5741пУмс + 0.011пУст-0.3431пУсв + 0.6221111^ 0.466 0.783 1.174 0.463

Для шлифовальных кругов с диаметром 16...600 мм.

1п11л= 0,310-0.1341пАз-0.7631пУ3 + 0.0881пУмс-0.0071пУст-0.1041пУсв 0.385 0.852 1.006 0.767

Ш11л=0,259-0.1131пАз-0.7481пУ3-0.0341пУмс-0.021пУст-0.0241пУсв +0.0921пЬх 0.479 0.770 0.953 1.045

Ьнуц* =1,72 + 0.1311пА3 + 0.8471пУ3-1.3501пУмс-0.1211пУ,.т + 0.841пУсв 0.591 0.651 0.803 1.828

1па(1л=0.986 + 0.11пА3 + 1,021пУ3-1,2061пУмс-0.1101пУст+0.7851пУсв + 0.0731пЬх 0.604 0.635 0.834 1.531

При реализации новой концепции возникают дополнительные проблемы при оптимизации объемного содержания отдельных компонент высокопористой абразивной массы.

Оптимизация ее состава предполагает обеспечить жесткорегламентированную твердость инструмента (расчетную глубину лунки Ьл по ГОСТ 18118-79) при минимальной величине ее рассеяния Расчетное значение твердости можно достигнуть за счет оптимального соотношения всех компонент абразивной массы, однако при этом должна быть гарантирована механическая прочность сырца, достаточная для бездефектного изготовления высокопористого инструмента заданной характеристики по структуре, твердости и ее стабильности, размеру абразивного зерна.

Сопоставление расчетных моделей механической прочности сырца абразивной массы на излом и изгиб, твердости инструмента и ее стабильности позволяет сделать вывод, что влияние на эти характеристики компонент абразивной массы неоднозначно как по существу, так и по степени воздействия.

Однако в целом механическая прочность сырца на излом достаточно тесно коррелировала с твердостью инструмента: чем больше прочность сырца, тем меньше твердость инструмента. Для корреляционной связи прочности на изгиб сырца с твердостью инструмента вскрыта противоположная закономерность: увеличение прочности сырца на изгиб гарантирует повышение твердости абразивной массы после обжига.

Наличие корреляционной связи между механической прочностью сырца абразивной массы с ее твердостью после обжига инструмента дает возможность прогнозировать на этапе замешивания и формования высокопористого шлифовального круга прогнозировать его возможную твердость и аналогично ее рассеяние, однако, без учета масштабного фактора инструмента. Учесть масштабный фактор оптимизируемого шлифовального крута необходимо через коррекцию расчетных значений глубины лунки и среднеквадратичного ее отклонения.

Принципиально методология оптимизации рецептурного состава высокопористых кругов с учетом их масштабного фактора сохраняется в соответствии с моделью оптимизации (2) и критерием оптимизации (4) в вйде~стоимости-входящих-_в_состав_абразивной массы зерна, связки и порообразователей. Масштабный фактор, как это было обосновано выше, предполагает внесение необходимых корректив в структуру технологических ограничений (3), которые нактадываются на область допустимых значений оптимизируемых параметров и гарантируют выполнение заданных требований к составу высокопористой абразивной массы.

В модель оптимизации высокопористых кругов с учетом их масштабного фактора вводится новое ограничение по механической прочности сырца абразивной массы, величина которой должна быть максимально возможной, но не ниже прочности сырца для абразивных кругов нормальной структуры:

где аяз(Х1) может быть представлено через прочность сырца на излом или прогиб.

Коррекция на твердость и ее стабильность, учитывается масштабный фактор инструмента, по моделям табл.2 должна уменьшить расчетные значения глубины лунки в соответствии с увеличением характеристического размера Их шлифовального крута.

Ранее было установлено, что распределение глубины лунки (твердости) для одного инструмента или его партии близко к нормальному закону. Следовательно:

и расчетное значение среднеквадратичного откланения глубины лунки должно соответствовать ограничению

где величина рассеяния твердости ЛЬл по ГОСТ 18118-79 зависит от степени твердости и зернистости абразивного инструмента.

Описанные модель и алгоритм оптимизации состава высокопористых шлифовальных кругов реализован в виде машинной программы расчета основных компонент абразивной массы как в объемном исчисления, так и в навеске заданного количества инструмента.

Достоинством разработанной методологии оптимизации является то, что она впервые позволила находить оптимальные комбинации основных компонент высокопористой абразивной массы в зависимости от требуемых технологических и эксплуатационных свойств инструмента.

В пятой главе описаны испытания высокопористых кругов больших размеров.

В Санкт-Петербурге на АО "Абразивный завод "Ильич" "по технологии МГТУ "Станкин" были изготовлены шлифовальные круги с диаметрами от 350 до 600 мм с высотой до 80 мм с характеристиками:

СТизИ > [аш],

(5)

11л ± ДЬл = Ьл ± 3 сЬл (6)

1

(?)

Таблица 3.

Специальные высокопористые шлифовальные круги ПП 600x80x203.

№ Характеристика Твердость, Ьл, мм Дисбаланс, г Фактическая пористость, % Скорость испытаний, м/с

Диапазон Среднее значение

1. 25А25ПС114К5 ЕК170И14К5 4.5-4.7 4.6 100 36/48.5 107

2. 25А25ПСМ214К5 ЕК70М14К5 5.1-5.3 5.2 60 36/48.5 -

3. 25А16ПМ314К5 ЕК190К14К^ 6.5-7.0 6.75 25 38.5/51 60

4. 25А16ПМ314К5 ЕК190К14К5 6.7 6.7 25 38.5/51 60

5. 25А16ПСМ116К5 ЕК1901Л6К5 5.6-6.0 5.7 50 38.5/53 80*

6. 25А16ПСМП6К5 ЕК1901Л6К5 5.4-5.6 5.5 50 38.5/53 -

7. 25А16ПСМ218К5 ЕК190М18К5 5.4-5.6 5.5 30 39/55 60

8. 25А16ПСМ218К5 ЕК190М18К5 5.3-5.7 5.45 70 39/55 60

Примечание: 1) * крут разорвался

I 2) Фактическая пористость в знаменателе дана с учетом наличия полых корундовых микросфер

•по зернистости 10, 12, 16, 25, 32 и 40;

• по структуре 10, И, 12, 13, 14, 16 и 18;

• по твердости ВМ2, М1, М2, МЗ, СМ1, СМ2, С1

на керамической связке К5.

В рамках выполнения Международного технического проекта "СУХОЕ ШЛИФОВАНИЕ", для испытаний высокопористого инструмента в Техническим университетом г.Хемниц-Цвикау(ФРГ) и Институте металлорежущих станков и прессового оборудования "Фраунховер" (ФРГ) в ОАО "Абразивный завод "Ильич" были изготовлены крути ПП 600x80x203 по четырем рецептурам с размером зерна 16 и 25, твердостью от МЗ до С1 и со структурами 14, 16 и 18. По каждому рецепту было изготовлено по 2 шлифовальных круга, один из которых был подвергнут испытаниям на разрывную прочность. Все данные по изготовленным кругам приведены в табл.3.

Установлено также, что разработанные МГТУ "Станкин" высокопористые шлифовальные круги принципиально обеспечивают возможность шлифовать без охлаждения. При этом, на интенсивный съем металла нагрев детали не превышает 100°С, а на обработанной поверхности отсутствуют прижоти.

Одновременно с шлифовальными кругами МГТУ "Станкин" сравнивались круги производства австрийской фирмы ИорроМ ■уЛи!ег1:1шг, которые уступают по некоторым показателям инструменту нашего университета.

Общие выводы.

1. Выполненные научные исследования, изготовление и испытания высокопористых шлифовальных кругов больших размеров позволили расширить область эффективного использования абразивного инструмента за счет улучшения технологических свойств высокопористой абразивной массы.

2. Высокопористая абразивная масса с корундовыми микросферами обладает хорошей сыпучестью, однородна, перед формованием она равномерно укладывается в прессформе, исключается комкуемость массы и снижаются усилия прессования.

3. Введение корундовых микросфер существенно увеличивает механическую прочность формовочной массы, оптимальное содержание которой обеспечивает ей прочность в 1.9...2.5 раза больше, чем у аналогов высокопористого инструмента на перлите в качестве порообразователя.

4. Механическая прочность высокопористой абразивной массы как в сыром виде, так и после обжига возрастает с увеличением относительного содержания абразивного зерна, корундовых

микросфер и керамической связки и уменьшается с увеличением размера абразивных зерен.

5. Сравнение абразивных масс различного состава на керамической связке К5, которая применяется в рецептурах высокопористого абразивного инструмента закрытой структуры, показало, что по экологической безопасности в производстве и эксплуатационным свойствам в инструменте, она превосходит аналогичные связки германской фирмы FAG:

• выгорание абразивных масс при обжиге в 3...3.5 раза меньше;

• твердость инструмента обеспечивается на 1...3 степень выше;

• разброс значений твердости б инструменте в 1.7,..3.2 раза меньше.

6. Установлено, что модуль упругости для высокопористого абразивного инструмента закрытой структуры тесно коррелирован (коэффициент парной корреляции 0.963) с его твердостью независимо от состава абразивной массы.

Это делает возможность использовать ультразвуковой метод контроля для неразрушающей оценки качества инструмента, особенно больших размеров.

7. В качестве оценочной характеристики масштабного фактора шлифовальных кругов предложена их диагональ, величина которой оказывает более сильное влияние на твердость и ее рассеяние, чем, например, объем шлифовального круга.

8. Характеристический размер круга в виде его диагонали оказывает на твердость и ее стабильность более сильное влияние (по величине коэффициента корреляции), чем его размер зерна и относительное содержание зерна, микросфер и связки.

При изменении диаметра круга от 16 до 600 мм при постоянном его составе твердость инструмента уменьшается в 1.23 раза или на 2-3 степени, а ее стабильность - на 18%.

9. Разработаны обобщенные статистические модели связи основных параметров рецептурного состава высокопористых кругов закрытой структуры и их масштабного фактора с твердостью и ее стабильностью в объеме инструмента.

10.Разработанная концепция процедуры оптимизации высокопорисгых

—кругов_предусматривает улучшение технологических свойств

абразивной массы, в том числе повышение механической_

прочности, и коррекцию расчетных значений твердости и ее стабильности в зависимости от габаритов инструмента.

11.Изготовлены и испытаны новые шлифовальные круги с размером ПП 600x80x203 с номерами структур 14...18, которые обеспечивают шлифование закаленной стали без смазочно-охлаждающих сред (сухое шлифование) без прижогов и с температурой детали, не превышающей 100°С.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Старков В. К., Тюрин С. А., Варнавский В. В.

"Высокопористый инструмент как фактор интенсификации процессов абразивной обработки. Сб. Высокие технологии в машиностроении: диагностика процессов и обеспечение качества". Интерпартнер-96-труды конференции, Харьков, 1996 г.

2. Старков В. К., Тюрин С. А., Варнавский В. В.

"Высокопористый абразивный инструмент нового поколения (на англ. яз.)" в журнале - "Russian Technology Marketplace", Winter 1996, Vol. 3, № 4, USA.

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технически

наук

Варнавский Валерий Владимирович

Улучшение технологических свойств высокопорнстой абразивной масс; для изготовления крупногабаринных шлифовальных кругов

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура "Times" Объем уч.-издл. Тираж 100 экз. Заказ № ЛОС

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковкий пер.,

ЛП № 040072 от 29.08.91г. ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.