Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования. 13
1.1 Абразивный инструмент на керамической связке с повышенной структурностью. Особенности объемного строения и опыт практического использования. 13
1.2. Способы изготовления высокопористого абразивного инструмента на керамической связке. 22
1.3 Опыт применения невыгорающих наполнителей при изготовлении абразивного инструмента с повышеннойструктурностью . 31
1.4 Сравнительный анализ эффективности применения шлифовальных кругов повышенной структурности, изготовленных по различным технологиям. 43
1.5 Особенности шлифования фасонных поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов. 52
1.6. Выводы. 73
1.7. Цель и задачи исследования. 75
ГЛАВА 2. Формирование объемно-структурного строения абразивно-керамических композиций с повышенной структурностью и управляемой пористостью. методика оценки технологичности и эксплуатационных свойств абразивного инструмента . 78
2.1 Выбор объемно-структурной характеристики абразивного инструмента в зависимости от условий его эксплуатации. 80
2.2 Формирование порового пространства в абразивно-керамических композициях шлифовальных кругов . 85
2.3 Разработка структурных моделей абразивно-керамических композиций с невыгорающим порообразователем. 94
2.4 Моделирование рецептурных составов абразивно-керамических композиций с повышенной структурностью и управляемой пористостью. 103
2.5 Методика экспериментальной оценки технологических и эксплуатационных свойств абразивно-керамических композиций шлифовальных кругов. 119
2.6 Выводы. 130
ГЛАВА 3. Исследование технологических и эксплуатационных свойств абразивно-керамических композиций с повышенной структурностью и установление их взаимосвязей с рецептурным составом абразивных масс . 133
3.1 Исследование прочности сырца абразивной массы и установление взаимосвязи с рецептурным составом. 133
3.2 Влияние состава абразивной массы на деформацию абразивно-керамической композиции при обжиге . 142
3.3. Исследование взаимозависимости плотности абразивно-керамических композиций с составом абразивной массы. 149
3.4. Исследование влияния состава абразивной массы на степень выгорания при обжиге. 156
3.5 Исследование твердости абразивно-керамических композиций и стабильности в объеме во взаимосвязи с составом абразивной массы. 162
3.6. Исследование влияния состава абразивной массы на разрывную прочность шлифовального круга. 169
3.7. Изучение дополнительного влияния неуравновешенности массы шлифовального круга на его разрывную прочность. 172
3.8 Выводы. 182
ГЛАВА 4. Эффективность применения нового инструмента при профильном глубинном шлифовании фасонных поверхностей деталей из жаропрочных никелевых сплавов . 186
4.1 Особенности изготовления весьмамягких высокопористых кругов для профильного глубинного шлифования деталей из жаропрочных никелевых сплавов. 186
4.2 Исследования при профильном глубинном шлифовании фасонных поверхностей деталей из жаропрочных никелевых сплавов . 203
4.3 Исследование свойств поверхностного слоя деталей из жаропрочных никелевых сплавов после глубинного шлифования. 217
4.4 Технико-экономические показатели глубинного шлифования высокопористыми кругами различных производителей. 231
4.5 Выводы. 236
ГЛАВА 5. Применение шлифовальных кругов с повышенной структурностью и управляемой пористостью при обработке фасонных поверхностей деталей из закаленных легированных сталей 238
5.1 Экспериментальные исследования при формообразовании зубчатых колес профильным глубинным шлифованием. 238
5.2 Чистовое профильное шлифование закаленных зубчатых колес высокопористыми кругами. 256
5.3 Повышение производительности и качества чистового профильного шлифования зубчатых колес за счет применения высокопористых эльборовых кругов. 267
5.4. Выводы. 282
ГЛАВА 6. Результаты освоения производства высокоструктурных шлифовальных кругов с управляемой пористостью и его внедрения в промышленность . 284
6.1 Внедрение новой технологии изготовления нового абразивного инструмента на керамических связках с повышенной структурностью с управляемой пористостью. 284
6.2 Производственные испытания и разработка рекомендаций по применению новых высокопористых шлифовальных кругов при профильном глубинном шлифовании хвостовиков турбинных лопаток. 287
6.3 Производственные испытания и разработка рекомендаций по глубиннму шлифованию крупногабаритных лопаток газотурбинных установок новым абразивным инструментом. 292
6.4 Производственные испытания и разработка рекомендаций по применению новых высокопористых шлифовальных кругов при шлифовании зубчатых колес по различным технологическим схемам. 304
6.5 Выводы. 326
Общие выводы и результаты работы. 328
Список литературы. 332
Приложение 359
- Опыт применения невыгорающих наполнителей при изготовлении абразивного инструмента с повышеннойструктурностью
- Формирование порового пространства в абразивно-керамических композициях шлифовальных кругов
- Влияние состава абразивной массы на деформацию абразивно-керамической композиции при обжиге
- Исследования при профильном глубинном шлифовании фасонных поверхностей деталей из жаропрочных никелевых сплавов
Введение к работе
Актуальность темы. Трудоемкость процессов шлифования в машино- и приборостроении занимает большой удельный вес (в среднем около 30 - 40 %, а в отдельных отраслях достигает 70 % и более) от общего числа трудоемкости механической обработки деталей. В ряде случаев шлифование является одним из наиболее эффективных методов механической обработки деталей из труднообрабатываемых материалов, успешно заменяя собой процессы резания лезвийным инструментом.
Эффективность шлифования в значительной степени определяется эксплуатационными возможностями применяемого инструмента (шлифовального круга), который играет определяющую роль в формировании качества обрабатываемых поверхностей деталей и производительности шлифования. Уровень оснащенности промышленности высокопроизводительным абразивным инструментом оказывает значительное влияние на ее развитие и темпы внедрения новой техники в целом.
Для обработки фасонных поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов все большее применение находят высокопористые абразивные круги на керамической связке с повышенными номерами структуры и пористостью. Рациональными областями применения высокопористых кругов являются прогрессивные технологии профильного глубинного шлифования замков турбинных лопаток из никелевых и титановых сплавов, профилирование зубчатых колес, фасонного режущего инструмента, различных деталей из твердых сплавов, керамических и магнитных материалов и др.
Повышение номера структуры, которое сопровождается уменьшением объемного содержания абразивного зерна в шлифовальном круге, оказывает благоприятное влияние на термодинамическую напряженность процесса шлифования, позволяет повысить производительность и качество обработки деталей. Высокая пористость способствует лучшему подводу охлаждающей жидкости в зону шлифования и отводу отработанного шлама.
Существующие технологии изготовления высокопористых шлифовальных кругов с повышенной структурностью основаны на добавлении в абразивную массу специального порообразующего наполнителя. Этот наполнитель либо выгорает, либо вспучивается при высокотемпературном обжиге, образуя крупные открытые поры, либо остается в составе шлифовального круга, участвуя в формировании каркаса инструмента вместе с абразивными зернами и связкой. Наиболее технологичным среди выгорающих порообразователей в зарубежной практике считается нафталин, однако его использование вредно и во многих странах ограничивается из соображений экологической безопасности производства.
Отечественные абразивные заводы с 80-х годов прошлого века используют технологию изготовления высокопористых шлифовальных кругов на основе выгорающего наполнителя - молотых фруктовых косточек. Обладая преимуществом по экологической безопасности перед нафталином, эта технология имеет ряд существенных недостатков, связанных с нестабильностью качества и с повышенным уровнем брака в производстве высокопористых шлифовальных кругов. Из-за отсутствия новых технологических решений серийно изготавливаемый отечественный высокопористый абразивный инструмент существенно уступает по качеству и эксплуатационным свойствам инструменту ведущих фирм Европы, США и других стран.
Кроме того многие востребованные в машиностроении позиции высокопористого инструмента, например, круги прямого или фасонного профиля диаметром 500 мм и высотой более 150мм, специального червячного, кольцевого или чашечного типа профиля и др. со структурами 12 - 16 и выше у нас в стране не производятся из-за отсутствия технологии их изготовления.
По этой причине многие российские предприятия, в том числе оборонно- промышленного комплекса и энергомашиностроения, на которых используются современные высокопроизводительные шлифовальные станки, вынуждены приобретать для их оснащения высокотехнологичный абразивный инструмент за рубежом. По оценкам экспертов доля использования импортных высокопористых шлифовальных кругов на этих предприятиях на сегодняшний день составляет около 30 - 40% от объема потребления ими абразивного инструмента на керамической связке.
В этой связи проблема создания и применения нового отечественного абразивного инструмента, который бы по эффективности не уступал, а по возможности превосходил бы зарубежные аналоги, является актуальной как с экономической точки зрения, так и с точки зрения обеспечения технологической безопасности российских машиностроительных предприятий.
В период выполнения диссертации экспериментальные исследования проводились совместно с техническими университетами, научно-исследовательскими институтами и предприятиями в России и за рубежом. Производственные испытания и внедрение результатов исследований выполнялось по хозяйственным договорам и договорам о сотрудничестве с отечественными заводами.
Работы по тематике диссертации выполнялись, в том числе при государственной финансовой поддержке в рамках гранта Президента РФ для молодых российских ученых- кандидатов наук (шифр МК-3961.2004.8), ФЦП «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России на 2009-2013г.г.» (Гос. контракт № П2482), ФЦП «Национальная технологическая база на 2007-2011г.г.» (Гос. контракт №104111003702.05.019). Большой объем исследований был выполнен по проектам международной программы научно-технического сотрудничества EUREKA со странами Европейского Союза: E!1690 - ABRASIVE 2000 (1998-2001 г.г.); E!2339 - GRINDING (2001-2003 г.г.); E!2581 - KORUND (2002-2004 г.г.); E!3274 - ELBOR (2004-2008 г.г.); E!3825 - SINTERKORUND (2008 - 2010 г.г.).
Цель работы. Повышение эффективности обработки шлифованием фасонных поверхностей деталей машин на основе применения шлифовальных кругов с высокой структурностью, изготавливаемых с использованием новых экономичных и экологически безопасных принципов формирования и управления объемно- структурным строением пористых абразивно-керамических композиций.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований с решением следующих задач:
1. Разработка технологических принципов формирования объемно- структурного строения абразивно-керамических композиций с повышенной структурностью и управляемой пористостью для изготовления инструмента нового поколения с широкими эксплуатационными возможностями из электрокорунда, включая его микрокристаллическую модификацию (SG), карбида кремния и кубического нитрида бора (эльбора) с применением невыгорающего порообразующего наполнителя - алюмосиликатных микросфер.
-
Разработка методики комплексной оценки технологичности изготовления и эксплуатационных свойств абразивного инструмента.
-
Проведение экспериментальных исследований и разработка на основе статистического обобщения их результатов математических моделей связи технологических и эксплуатационных свойств абразивного инструмента с составом и характеристикой абразивно-керамических композиций повышенной структурности и пористости.
-
Изготовление с использованием разработанных технологических принципов опытных образцов абразивного инструмента различных типоразмеров и характеристик и анализ эффективности его применения при шлифовании фасонных поверхностей деталей из:
жаропрочных никелевых сплавов на примере профильного глубинного шлифования хвостовиков турбинных лопаток;
закаленных легированных сталей на примере профильного шлифования зубчатых колес.
Освоение производства шлифовальных кругов с повышенной структурностью и управляемой пористостью различных типоразмеров и характеристик.
Производственные испытания и внедрение в машиностроительное производство нового абразивного инструмента.
Методы и средства исследования. Основные положения работы разработаны с позиций теории шлифования материалов и основ проектирования абразивного инструмента. В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования. Комплекс экспериментальных исследований проводился с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры и приборов, в том числе использовалась лабораторно-исследовательская база Ганноверского технического университета, Фраунхоферского института (Германия), технического университета им. T. Bata (Чехия), а также лабораторно-производственная база фирм Best-Business a.s., Carborundum Electrite a.s. (Чехия) и отечественных предприятий. Статистическая обработка данных выполнялась при помощи пакета программ STATISTICA (StatSoft), а также специальной программы многофакторного корреляционного и регрессионного анализа REGRD.
Достоверность полученных результатов. Корректность разработанных математических моделей подтверждена их адекватностью опытным данным, оцененной по известным критериям (коэффициенту множественной корреляции, остаточной дисперсии и др.). Достоверность полученных результатов подтверждена производственными испытаниями нового инструмента и его промышленным внедрением.
Научная новизна работы заключается в:
разработанных технологических принципах формирования объемно- структурного строения абразивно-керамических композиций, при которых обеспечиваются повышенные технологические и эксплуатационные свойства абразивного инструмента с высокой структурностью и управляемой пористостью для его эффективной работы при шлифовании фасонных поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов;
разработанных структурных моделях рецептурных составов абразивно- керамических композиций для определения рационального количества порообразо- вателя в зависимости от заданного номера структуры, зернистости и твердости, а также размеров и свойств порообразователя с учетом требований к пористости абразивного инструмента;
предложенной методике комплексной оценки технологических и эксплуатационных свойств абразивно-керамических композиций создаваемого абразивного инструмента (плотности и прочности сырца, деформации и степени выгорания при обжиге, плотности, твердости и разрывной прочности после обжига);
выявленных закономерностях и разработанных математических моделях связи плотности и прочности сырца, деформации и степени выгорания при обжиге, плотности, твердости и разрывной прочности после обжига абразивно-керамических композиций с объемным содержанием абразивного зерна и связки;
раскрытом влиянии и разработанных математических моделях связи динамической напряженности процессов профильного глубинного шлифования фасонных поверхностей деталей из жаропрочных никелевых сплавов и закаленных сталей с характеристикой высокопористых шлифовальных кругов и параметрами режима шлифования.
Практическая значимость работы состоит в:
промышленном внедрении экономичной и экологически безопасной технологии изготовления шлифовальных кругов с повышенной структурностью и управляемой пористостью, соответствующих по эксплуатационным свойствам лучшим мировым аналогам;
разработке и освоении в производстве большой номенклатуры по типоразмерам и характеристикам нового высокопроизводительного абразивного инструмента различного технологического назначения для нужд отечественных машиностроительных предприятий, в том числе оборонно-промышленного комплекса;
разработанных рекомендациях по профильному глубинному шлифованию новым инструментом хвостовиков турбинных лопаток с производительностью до 40% превышающей результаты обработки зарубежными аналогами и в 2,3 раза выше, чем применяемым отечественным инструментом;
внедрении нового высокопроизводительного процесса профильного глубинного шлифования зубчатых колес правящимися высокопористыми кругами взамен зубофрезерования.
разработанных рекомендациях по эффективной обработке новым инструментом зубчатых колес и соединений профильным шлифованием, обкатом с единичным и непрерывным делением.
Реализация работы. Разработанные технологии изготовления высокопористого абразивного инструмента из электрокорунда и карбида кремния различных модификаций внедрены в производство шлифовальных кругов с повышенной структурностью и управляемой пористостью на ОАО «Волжский абразивный завод».
Новый абразивный инструмент, а также технологии с его применением прошли производственные испытания и внедрены на машиностроительных предприятиях в России: ФГУП «ММПП «Салют» (ныне НПЦ «Газотурбостроения «Салют», г. Москва), ОАО «Анжеромаш» (Кемеровская обл.), ОАО «Азотреммаш» (г. Тольятти), заводе «Турбодеталь» ф-л ОАО «Газэнергосервис» (г. Наро-Фоминск, Московская обл.), ООО «Самоточка» (г. Москва) а также поставляется в страны СНГ (Беларусь и Украину), экспортируется за рубеж в Болгарию, Индию, КНР, США и Чехию.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на восьми международных научно-технических конференциях «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 1998 - 2005г.г.), двух международных конференциях «Научные исследования и разработки в машиностроении» RaDMI 2002 (Vrnjacka Banja, Югославия) и RaDMI 2003 (Herceg Novi, Montenegro Adriatic), двух международных конгрессах «Прецизионная обработка» в г. Усти на Лабе (Чешская Республика) в 2001г. и в г. Прага в 2003г., международной конференции «Техника приводов 2003» (г. Варна, Болгария), международной научно- технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (г. Липецк, 2006г.), всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов» (г. Рыбинск, 1999г.), всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (г. Рыбинск, 2002г.), межрегиональной научно- технической конференции «Взаимодействие вузов и промышленных предприятий для эффективного развития инновационной деятельности» (г. Волжский, 2008), двух научно-образовательных конференциях «Машиностроение - традиции и инновации (МТИ)» (г.Москва, МГТУ «Станкин», 2009 и 2010г.г.), всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (г. Уфа, 2010г.).
Диссертационная работа была доложена и обсуждена на совместном заседании кафедр «Высокоэффективные технологии обработки», «Технология машиностроения», «Инструментальная техника и технология формообразования» и научно- исследовательского центра «Новые технологии и инструменты» МГТУ «Станкин».
Публикации. По теме диссертации опубликована 61 печатная работа, в том числе 30 статей в рецензируемых российских изданиях, включенных в обязательный перечень ВАК РФ, и 7 статей в зарубежных сборниках научных трудов на русском, английском и чешском языках, подано 4 заявки на патентование в РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы / 267 наименований / и приложения, содержащего акты производственных испытаний и внедрения. Объем диссертации 317 страниц машинописного текста, содержит 113 рисунков и 47 таблиц.
Опыт применения невыгорающих наполнителей при изготовлении абразивного инструмента с повышеннойструктурностью
При изготовлении абразивного инструмента с высокими номерами структуры наиболее перспективной видится идея формирования так называемой закрытой пористости с помощью различных невыгорающих наполнителей. Это способствует не только уменьшению негативного воздействия по-рообразователя на окружающую среду, но и повышению качества самого абразивного инструмента.
Известны способы получения закрытой пористости в абразивно-керамических композициях, которые предусматривают использование в качестве невыгорающих наполнителей адгезионно-инертных к керамической связке абразивных материалов одинакового размера и формы с основной фракцией [77, 78], или абразивных зерен в 4...6 раз меньшего размера по сравнению с основной фракцией [64, 108, 110]. Причем в качестве наполнителя в этом случае предлагается использовать зерно того же или иного типа, что и основная фракция. Авторы [108, 110] называют такую пористость абразивного инструмента не закрытой, а «эквивалентной» или «активной», подразумевая при этом, что в объеме шлифовального круга отсутствуют открытые поры, а образуются они только на рабочей поверхности.
Механизм образования пор в этом случае заключается в следующем: используемые абразивные наполнители, вследствие своих слабых адгезионных способностей или малых размеров, слабее удерживаются связкой, чем основная фракция, а при выходе на поверхность круга легко они выкрашиваются, создавая тем самым поры для размещения удаляемой стружки и охлаждающей жидкости. По мнению [110] эта технология обладает рядом преимуществ: высокая «активная» или «эквивалентная» пористость; высокие прочностные характеристики круга; более равномерное распределение зерен по объему. Необходимо отметить, что аналогичный подход к использованию в ка честве наполнителя абразивного материала известен и успешно применяется в технологии изготовления шлифовальных кругов из сверхтвердых материа лов. Например, при изготовлении шлифовальных кругов из кубического нитрида бора на керамической связке в качестве наполнителя используют зерна электрокорунда и карбида кремния более мелкой фракции. В этом случае зерна электрокорунда служат для образования прочного каркаса, а адгезионно-инертный к керамической связке карбид кремния, играет роль «охрупчи-вателя», что улучшает самозатачивание эльборовых кругов в процессе работы.
Однако применение абразивного зерна в качестве наполнителя высокопористого инструмента из электрокорунда и карбида кремния способствует увеличению массы круга, что может негативно сказаться на динамике процесса шлифования и дополнительных нагрузках на привод главного движения станка.
Во-вторых, как показывает практика применения такого инструмента, не во всех случаях выкрашивание абразивных зерен мелкой фракции происходит своевременно, что ухудшает режущие свойства инструмента. Особенно это касается твердых абразивных кругов (степень твердости С1.. .СТЗ).
Так, например, добавление мелкозернистого абразива при изготовлении на ОАО «Волжский абразивный завод» шлифовальных кругов из электрокорунда белого зернистостью 40 и твердостью СТ1...2 для шлифования коленчатых валов на Минском моторном заводе привело к тому, что круги во время работы быстро засаливались и теряли режущую способность. Для уменьшения эффекта засаливания приходилось уменьшать скорость съема материала, а для восстановления режущей способности круга прибегать к его частым правкам. Вследствие этого снизилась производительность шлифования, увеличился расход абразивного и алмазного правящего инструмента, ухудшилось качество обработанных поверхностей деталей (участились при-жоги и появились следы дробления).
Третьим немаловажным обстоятельством, свидетельствующим о нежелательных последствиях, которые могут наступить при использовании в качестве наполнителя в электрокорундовых кругах зерен карбида кремния, является следующее: зерна карбида кремния обладают более высокой твердостью, чем электрокорунд. При выпадении из связки в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью зерно карбида кремния может глубже внедриться в металл с образованием более глубоких рисок, что приведет к ухудшению шероховатости поверхности детали. Кроме этого при шлифовании вязких материалов, таких как, например, жаропрочные сплавы зерно карбида кремния, также внедрившись в обрабатываемую поверхность, может частично или полностью в ней остаться. При эксплуатации такой детали с поверхностью, импрегнированной абразивными зернами, в контакте с другой деталью будет подвергать сопряженную поверхность повышенному износу.
Следует также отметить то, что стоимость мелкозернистого абразивного материала на 10... 15% выше, чем крупнозернистого, а зерно карбида кремния на 30.. .40% дороже электрокорунда той же фракции. Использование такого рода наполнителей может существенно увеличить себестоимость изготовления абразивного инструмента.
На практике встречаются абразивные инструменты с повышенной структурностью, изготовленные с применением в качестве невыгорающего наполнителя еще одной разновидности абразивного материала - сферокорун-да. Сферокорунд представляет собой гранулированный электрокорунд, полученный из высокоглиноземистого расплава путем его диспергирования. Отличительная особенность сферокорунда - это наличие пустоты внутри гранулы. Сферокорунд выпускается с размерами основной фракции от 0,5 до 5 мм и обычно его применяют для шлифования кожи, резины, древесины и других мягких органических материалов, а также цветных металлов и сплавов.
Формирование порового пространства в абразивно-керамических композициях шлифовальных кругов
Свойства материала обрабатываемой детали влияют не только на выбор марки абразива, но и на другие характеристики шлифовального круга: зернистость, твердость, номер структуры и пористость. Например, для шлифования вязких материалов следует выбирать более крупнозернистые и твердые круги с крупными порами. Шлифование легированных сталей, особенно закаленных, сопровождается большим риском появления прижогов и трещин. Для их обработки рекомендуют шлифовальные круги с более высокими номерами структуры и меньшей твердостью.
При шлифовании деталей из одинакового материала, но с разной формой и размерами обрабатываемой поверхности может возникнуть необходимость применения кругов с различными характеристиками.
Например, при круглом наружном шлифовании на выбор твердости круга оказывает влияние диаметр шлифуемой детали - чем меньше диаметр детали, тем тверже должен быть круг. Это связано с тем, что с уменьшением диаметра шлифуемой поверхности увеличивается толщина стружки, что негативно сказывается на износостойкости круга. Такая же закономерность прослеживается и при внутреннем шлифовании. В этом случае выбор более твердого круга обусловлен его малыми окружными скоростями. При шлифовании полых или тонкостенных деталей во избежание прижогов и короблений рекомендуется применять круги более мягкие и с более высокими номерами структуры. Шлифование прерывистых поверхностей, наоборот, требует применения более твердых кругов, обладающих большей износостойкостью. При профильном шлифовании фасонных поверхностей разные участки шлифовального круга работают с различными скоростями и с разной нагрузкой на абразивное зерно. Вследствие различных условий работы поверхность круга изнашивается неравномерно. При этом важным условием является обеспечение его высокой размерной стойкости, которая может достигаться увеличением твердости и уменьшением зернистости. Метод и схема шлифования определяют выбор типоразмера круга, его зернистость, твердость, номер структуры и пористость. Так, если тип круга и его основные размеры в основном зависят от модели станка, используемого для данного метода шлифования, и габаритных размеров шлифуемой поверхности, то другие параметры характеристики непосредственно связаны с особенностями выбранного метода. Для плоского профильного шлифования с большими площадями контакта круга и детали рекомендуется применять круги с более открытой структурой. Чем больше площадь контакта, тем более открытой должна быть структура абразивного инструмента. Но даже самые открытые структуры абразивных инструментов не обеспечивают необходимых условий для качественного и производительного шлифования при слишком больших площадях контакта, как например, при профильном глубинном шлифовании. Промежутки между абразивными зернами быстро «засаливаются», что приводит к увеличению термодинамической напряженности процесса и образованию прижогов и других дефектов на обрабатываемых поверхностях. Для исключения этого негативного явления необходимо применять высокоструктурные круги с крупными открытыми порами. При внутреннем и при плоском торцовом шлифовании применяют более мягкие абразивные инструменты, на 1...2 степени мягче, чем при круглом шлифовании таких же материалов и деталей. Одновременное шлифование сопряженных поверхностей, например, шлифование профиля резьбы, шеек коленчатого вала и др., требует применения кругов, способных более длительное время сохранять профиль, то есть более мелкозернистых и твердых. Параметры режима шлифования влияют на выбор зернистости, твердости и прочности шлифовального круга. Например, изменение скорости вращения круга влечет за собой изменение нагрузки на единичное зерно — чем меньше скорость вращения при прочих равных условиях, тем нагрузка больше и условия для выкрашивания зерна лучше, и наоборот. Поэтому при небольших скоростях шлифования целесообразно выбирать мелкозернистый и более твердый круг, который будет противостоять чрезмерному износу. Увеличение скорости детали, наоборот, способствует увеличению нагрузки на зерно, и круг будет быстрее изнашиваться. Повышение производительности шлифования путем пропорционального увеличения скорости инструмента и детали требует применения шлифовальных кругов с повышенной прочностью. При выборе зернистости и твердости шлифовального круга нельзя забывать о таком важном параметре характеристики как его структура. Чем мельче абразивное зерно и тверже шлифовальный круг, тем выше должен быть номер структуры. Общие принципы выбора характеристики шлифовального круга позволили сформировать требования к характеристике и объемно-структурному строению абразивного инструмента для эффективного шлифования фасонных поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов.
Так, для профильного глубинного шлифования фасонных поверхностей деталей из жаропрочных никелевых сплавов и закаленных легированных сталей с глубиной обработки до 10 мм и более за проход следует выбирать абразивный инструмент из электрокорунда белого зернистостью в диапазоне F120...F80, твердостью F...H и номером структуры не ниже 12... 16. Объемная пористость такого инструмента должна составлять не менее 55...70% в зависимости от твердости и номера структуры, а размер отдельных открытых пор от 400 до 800 мкм. При этом большая пористость обеспечивает лучшие условия для подвода охлаждающей жидкости и удаления стружки при глубинном шлифовании, но снижает размерную стойкость абразивного инструмента. Поэтому выбор характеристики по пористости и твердости регламентируется еще и наличием на станке непрерывной правки круга.
Влияние состава абразивной массы на деформацию абразивно-керамической композиции при обжиге
При изготовлении абразивного инструмента на керамической связке деформация проявляется в виде усадки, которая возникает вследствие действия капиллярных сил от расплавленной связки в зоне контакта абразивных зерен. Величина усадки зависит от плотности исходной упаковки абразивных зерен в инструменте, определяемой номером структуры. С увеличением номера структуры абразивного инструмента уменьшается количество зерна, число контактов зерен между собой и плотность упаковки, а соответственно величина усадки увеличивается.
Устойчивость структуры абразивного инструмента к усадке при обжиге определяется количеством твердых компонентов, находящихся в инструменте в момент отвердевания керамической связки. Основу каркаса абразивного инструмента составляют абразивные зерна, чем их больше, тем меньше усадка.
Степень влияния количества связки на величину усадки зависит от типа. При использовании плавящейся связки увеличение ее количества будет приводить также к увеличению усадки инструмента, а влияние спекающейся связки, наоборот, к ее уменьшенью.
Усадка при обжиге является одним из важных свойств абразивного инструмента, определяющим его фактическую пористость. Чем больше усадка инструмента в процессе обжига, тем меньше остается порового пространства. Усадка зависит от ряда факторов: свойства материала абразива, его зернистость, номер структуры, количество и тип связки, температура и время обжига и т.д.
При производстве абразивного инструмента из электрокорунда и карбида кремния используют разные типы связок. В случае использования плавящейся связки увеличение ее количества будет способствовать также увеличению усадки при обжиге электрокорундового инструмента. При этом размер зерна на величину усадки большого влияния не оказывает. Во втором случае с увеличением количества спекающейся связки усадка, наоборот, будет уменьшаться, так как между зернами остается меньше свободного пространства [183].
Величина усадки зависит от плотности исходной упаковки абразивных зерен в инструменте, определяемой номером структуры.
В.К. Старковым [186] установлено, что по степени влияния на деформацию абразивного инструмента количество абразивных зерен и микросфер находятся примерно на одном уровне. Корреляционный анализ результатов исследований показал, что коэффициенты парных корреляций связей V3 и Кмсф с w соответственно равны 0,970 и 0,917. Прямой эксперимент показал, что при прочих равных условиях по составу у кругов 12 структуры из электрокорунда белого с увеличением содержания микросфер от 0 до 20% объемная деформация при обжиге снижается с 7,4 до 0,4%.
Вопрос минимизации усадки в некоторой степени решается введением в высокоструктурную абразивную массу порообразователя различных размеров, свойств и в определенных количествах, которые рассчитываются исходя из желаемой плотности упаковки твердых частиц. Возможность использования при изготовлении шлифовальных кругов на керамической связке микросфер различного состава и свойств самостоятельно или в комбинации с другими наполнителями создает предпосылки к управлению усадкой и структурной пористостью. Различные соотношения размеров и количества абразивного зерна, связки и порообразующего наполнителя определяют также различные варианты внутреннего строения абразивно-керамических композиций.
В качестве примера в работе рассмотрены три случая размещения абразивного зерна и порообразующего наполнителя — микросфер в объеме абразивного инструмента. В первом случае, когда размер микросфер во много раз превышает размер абразивных зерен (рис. 2.6а), микросферы являются центрами, вокруг которых образуются конгломераты из абразивных зерен. Оптимальным будет такое количество порообразователя, при котором абразивные зерна при формовании сырца образуют максимально плотную упаковку, которая сохранится и после обжига инструмента. Однако такая конструкция инструмента не очень благоприятна с точки зрения процесса шлифования. При использовании микросфер более мелкой фракции по отношению к размеру зерна возможен такой случай, при котором они заполнят собой межзерновое пространство (рис. 2.66) и будут препятствовать сближению абразивных зерен. Высокоструктурный абразивный инструмент с таким распределением зерен и порообразователя способен был бы продемонстрировать наилучшие режущие свойства.
Однако добиться равномерного распределения, порообразователя в межзерновом пространстве по всему объему инструмента практически не возможно.
В третьем случае абразивное зерно и порообразователь имеют одинаковые или близкие размеры (рис. 2.6в) а их распределение в объеме инструмента носит равновероятностный характер.
В реальных условиях производства, когда абразивное зерно и используемый порообразователь имеют полифракционный гранулометрический состав, изменяющийся в довольно широком диапазоне, возможно сочетание всех трех рассмотренных случаев их взаимного распределения.
Как правило, введение порообразователей в состав абразивной массы модифицирует объемно-структурное строение абразивно-керамической композиции, изменяя число контактов зерен.
Исследования при профильном глубинном шлифовании фасонных поверхностей деталей из жаропрочных никелевых сплавов
При стабильном технологическом процессе изготовления высокопористых шлифовальных кругов с выдерживанием на всех его этапах необходимых требований по точности и качеству выполняемых операций (точность дозирования, порядок и время смешивания, температура и время выдержки и т.д.) главным фактором технологичности изготовления абразивного инструмента становится рецептурный состав высокопористой абразивной массы. Именно ее состояние и реакция на внешнее воздействие проявляется через технологические свойства.
Прочность сырца после прессования имеет особое значение при изготовлении кругов сложных форм и больших габаритов. Это связано с возможным браком (разрушением) при транспортировке сырца от участка прессования до сушильной установки.
Предварительные экспериментальные исследования влияния рецептурного состава высокопористой абразивной массы на прочность сырца показали, что для образцов с одинаковым номером структуры iV =11 увеличение связки с 7% до 9% приводит к увеличению прочности сырца примерно в 2 раза в зависимости от марки керамической связки.
Также стоит отметить, что при увеличении относительного содержания зерна в объеме круга (уменьшение номера структуры) приводит к повышению плотности абразивной массы и, соответственно, к повышению прочности сырца на изгиб. При увеличении доли зерна в объеме с 0,34 до 0,4 прочность на изгиб повышается от 1,7 до 4,5 раз в зависимости от состава-керамической связки. Таким образом, можно сделать предварительный вывод, что состав высокопористой абразивной массы оказывает большое влияние на ее прочность после прессования. Деформация. При сушке абразивного инструмента происходит его незначительная объемная деформация, за счет испарения воды, которая входит в состав абразивного круга. Значительно большая объемная деформация происходит с кругом во время высокотемпературного обжига. Под действием высоких температур выгорающие порообразователи и клеящие добавки практически полностью выгорают, а также выгорает часть связки (5...8%). Газообразные продукты не только создают сквозные поры в теле инструмен-. та, но и деформируют объем круга, образуя искажения его формы. Склонность круга к деформированию на этапах формования, сушки и высокотемпературного обжига также зависит от состава круга. Чтобы уменьшить деформацию, а, следовательно, повысить качество шлифовальных кругов и уменьшить объем механообработки на последнем этапе, необходимо найти наиболее оптимальный рецептурный состав абразивной массы. Потерю веса (массы) или степень выгорания абразивной массы можно оценить как разницу веса массы до термической обработки с ее весом после термической обработки (сушки обжига). По существу эта характеристика дает представление об экологичности изготовления абразивного инструмента, т.к. очевидно, что все летучие продукты выгорания попадают в атмосферу. Но, с другой стороны, процесс вы 121 горания массы обусловлен формированием внутренних искусственных пор в объеме шлифовального круга и этот процесс, безусловно, влияет на технологичность изготовления шлифовальных кругов. В результате может происходить образование трещин и растрескивание инструмента в целом, меняется фактическая твердость, отличная от расчетной за счет разрушения мостиков связки, меняется удельный вес и происходит объемная деформация круга. Твердость - это свойство абразивного инструмента сопротивляться вырыванию абразивных зерен с рабочей поверхности под действием внешней силы. Действующая шкала условной твердости абразивного инструмента разделена на группы и степени, которые имеют буквенные обозначения (см. гл. 1) по мере возрастания твердости. Твердость абразивного инструмента зависит от связки. Требуемое количество связки определяется ее типом и свойствами, маркой и зернистостью абразивного материала, требуемой твердостью при заданном номере структуры шлифовального круга. Практикой для кругов нормальной структуры установлено, что уменьшение или увеличение объема керамической связки примерно на 1,5% объема при сохранении количества зерна дает соответственное изменение твердости на одну степень. Для абразивно-керамических композиций с повышенной структурностью зависимости могут отличаться.
Немаловажным параметром является показатель стабильности твердости в объеме инструмента. В качестве критерия стабильности твердости можно рассматривать среднеквадратическое отклонение (СКО) показателей твердости. Чтобы получить высококачественный абразивный инструмент, необходимо обеспечить не только заданную его твердость, но и важно добиться минимального значения среднеквадратичного отклонения измеренных значений, чтобы они максимально плотно группировались возле средней глубины лунки. Именно при таком распределении твердости можно говорить о ее стабильности в объеме инструмента, которая гарантирует эффективное и стабильное шлифование. По величине СКО твердости можно также судить о равномерности структуры в объеме.
Разрывная прочность, определяющая предельную скорость, при которой происходит разрушение шлифовального круга, является, пожалуй, одной из наиболее важных его характеристик, определяющих перспективы использования того или. иного класса инструмента в высокопроизводительных процессах абразивной обработки.
Величина разрывной скорости зависит от многих факторов: формы и размеров инструмента, точности и качества его изготовления, условий эксплуатации и др. В первую очередь, разрывная скорость связана с рецептурным составом и характеристикой шлифовального круга - материалом абразива, его зернистостью, твердостью, прочностью связки, структурностью. Именно состав и объемно-структурное строение абразивного инструмента предопределяют возможный диапазон его эксплуатационных свойств и, прежде всего, рабочую скорость.
Принципиальным отличием принятой в работе методики организации экспериментальных исследований является отказ от широко распространенного метода оптимального планирования экспериментов. Суть метода в сокращении объемов выполняемых опытов до уровня, при котором обеспечивается достоверность статистической обработки результатов.
