Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исощования 9
1.1. Основные размерные, геометрические и прочностные характеристики шлифпорошков из синтетических алмазов 9
1.2. Методы разделения.шлифпорошков по размерам и форме зерен. 26
1.3. Воздушные методы классификации и их основные преимущества 34
1.4. Влияние размеров и формы зерен на их аэродинамические характеристики 49
1.5. Цель и задачи исследований 61
Глава 2. Разработка методов определения геометрических и аэродинамических характеристик алмазных шлиф порошков 63
2.1. Разработка расчетного метода определения среднего объема алмазных зерен 63
2.2. Разработка методик определения коэффициентов сферичности зерен алмазных шлифпорошков 71
2.3. Разработка методик и приборов для экспериментального определения скоростей витания зерен алмазных шлифпорошков 77
Глава 3. Исследование некоторых геометрических и аэродинамических характеристик зерен алмазных шлифпорошков 89
3.1. Определение эквивалентных диаметров и коэффициентов сферичности зерен шлифпорошков 89
3.2. Экспериментальное определение аэродинамических характеристик шлифпорошков синтетических алмазов 95
3.3. Разработка и анализ расчетных зависимостей аэродинамических характеристик от размера и формы зерен.. 101
3.4. Оценка погрешностей измерения по разработанным методикам 116
Выводы к главе 3 118
Глава 4. Опрёщмение областей рационального использования методов воздушной классификации в технологии из готовления шифпорошков 123
4.1. Анализ максимально достижимого содержания зерен основной фракции в шлифпорошках при бесситовой воздушной классификации 123
4.2. Экспериментальные исследования эффективности различных методов воздушной классификации шлифпорошков 134
4.3. Анализ зависимости мевду прочностными и аэродинамическими характеристиками шлифпорошков 150
4.4. Области рационального использования воздушной классификации в технологии изготовления шлифпорошков. 160
Выводы к главе 4 162
Глава 5. Разработка методов воздушной классификации шифпорошков и оптимизация технологических режимов . 164
5.1. Исследование и разработка аппарата для классификации алмазных порошков в псевдоожиженном слое. 164
5.2. Исследование и разработка воздушно-ситового метода классификации шлифпорошков по зернистости 186
5.3. Разработка метода аэродинамической сепарации шлифпорошков по прочностным характеристикам 196
Выводы к главе 5 213
Глава 6. Результаты промышленного использования методов воздушной классификации и исследований эксплуатационных характеристик шлифпорошков в инструменте 214
6.1. Результаты опытно-промышленной проверки и внедрения методов воздушной классификации 214
6.2. Исследование эффективности алмазного инструмента на основе порошков, полученных с применением воздушной классификации 225
- Влияние размеров и формы зерен на их аэродинамические характеристики
- Разработка методик определения коэффициентов сферичности зерен алмазных шлифпорошков
- Экспериментальное определение аэродинамических характеристик шлифпорошков синтетических алмазов
- Анализ зависимости мевду прочностными и аэродинамическими характеристиками шлифпорошков
Введение к работе
Применение синтетических алмазов в промышленности является одним из перспективных направлений технического прогресса. Синтетические алмазы все более широко используются при изготовлении металлообрабатывающего бурового, правящего, камнеобрабаты-вающего и других видов инструмента для различных отраслей народного хозяйства, что стимулирует ускоренные темпы развития в нашей стране их промышленного производства.
Значительное внимание уделяется в последнее время работам, направленным на повышение качества алмазных порошков, и эффективности их использования в инструменте. К основным показателям, характеризующим уровень качества шлифпорошков из синтетических алмазов, относятся зерновой состав, прочность зерен, содержание примесей, форма зерен и свойства их поверхности. Получение алмазных шлифпорошков с определенными заданными свойствами обеспечивается, прежде всего, условиями синтеза алмазов. Однако немаловажную роль играют также процессы диспергирования, овализа-ции, классификации и сортировки порошков. Изучение качественных характеристик шлифпорошков из синтетических алмазов, создание новых эффективных процессов их классификации и сортировки является одной из насущных задач материаловедения в машиностроении. Результаты проводимых в указанном направлении исследований являются основой для разработки усовершенствованной технологии изготовления шлифпорошков, повышения их эксплуатационных характеристик и эффективности алмазного инструмента.
Настоящая работа посвящена исследованию и разработке новых эффективных методов воздушной классификации шлифпорошков по размерам, форме, шероховатости поверхности и прочности зерен на основе изучения их аэродинамических и связанных с ними геометри-
ческих характеристик.
В результате проведенных исследований впервые разработаны методики определения аэродинамических и некоторых геометрических характеристик зерен шлифпорошков, получены экспериментальные значения указанных характеристик и предложены методы их расчета, теоретически и экспериментально обоснованы рациональные области применения методов воздушной классификации в технологии изготовления шлифпорошков. Разработан ряд новых методов и аппаратов для классификации шлифпорошков из синтетических алмазов, защищенных 14-ю авторскими свидетельствами СССР. Исследованы эксплуатационные характеристики шлифпорошков, полученных с применением воздушных методов классификации в различных видах алмазного инструмента.
Результаты выполненных исследований использованы при разработке усовершенствованных технологических процессов изготовления шлифпорошков из синтетических алмазов, а также порошков из других инструментальных материалов (эльбора, карбида титана), которые внедрены в производство на Полтавском заводе искусственных алмазов и алмазного инструмента и других заводах Минстан-копрома СССР, а также на Опытном заводе ИСМ АН УССР. В представленной диссертации защищаются:
Новые методики определения аэродинамических характеристик шлифпорошков.
Результаты исследования скоростей витания, коэффициентов лобового сопротивления, эквивалентных диаметров и коэффициентов сферичности зерен шлифпорошков из синтетических алмазов.
Метод определения максимально достижимого содержания
основной фракции при бесситовой воздушной классификации шлифпо-рошков, основанный на анализе аэродинамических характеристик зерен классифицируемого продукта.
Результаты исследований корреляционной зависимости между аэродинамическими и прочностными характеристиками шшфпорошков.
Результаты исследований по определению рациональных областей применения воздушных методов классификации в технологии изготовления шлифпорошков из синтетических алмазов.
6. Новые методы и аппараты для классификации шлифпорошков по размерам, форме, шероховатости поверхности и прочности зерен и результаты исследований по оптимизации технологических режимов.
Работа выполнена в отделе физико-химии порошков и плазменной технологии ордена Трудового Красного Знамени Институте сверхтвердых материалов АН УССР под руководством д.т.н., профессора, лауреата Государственной премии СССР Б.А.Урюкова и кандидата технических наук, ст.научного сотрудника Ю.И.Никитина.
Автором использованы в работе результаты выполненных в ИСМ АН УССР определений удельной поверхности и некоторых геометрических параметров зерен шлифпорошков (под руководством Ю.И.Никитина), а также магнитной восприимчивости продуктов воздушной классификации (под руководством Г.Ф.Невструева).
Исследования метода инерционной классификации порошков выполнены автором совместно с сотрудниками Института технической теплофизики АН УССР д.т.н. Шрайбером А.А. и к.т.н.Яценко В.В.
Рабочие чертежи классификационных аппаратов, созданных на основе полученных в данной работе результатов исследований, разработаны сотрудниками СКІБ ИСМ АН УССР под руководством Сарховского Г.Д. и Бруквы А.Г.
Испытания алмазных инструментов, изготовленных с применением шлифпорошков, полученных методами воздушной классификации, проведены в ИСМ АН УССР под руководством д.т.н. Чеповецкого Х.И. и к.т.н. Лившица Б.Н.
Большую помощь автору во внедрении в производство результатов исследований оказали специалисты Опытного завода ИСМ АН УССР, ПЗИА и АИ, Ереванского завода "Алмаз", НПО Абразивный завод "Ильич".
Автор приносит искреннюю благодарность всем перечисленным товарищам за оказанную практическую помощь.
Автор глубоко признателен научным руководителям за постоянное научное и методическое руководство в процессе выполнения и оформления диссертации.
Влияние размеров и формы зерен на их аэродинамические характеристики
Определяющими параметрами технологических процессов воздушной классификации сыпучих материалов являются аэродинамические свойства твердых частиц. Основными аэродинамическими характеристиками зерен порошка являются скорость витания, т.е. скорость восходящего потока среды, при котором частица, взвешенная в потоке, остается неподвижной, а также коэффициент лобового сопротивления. Формула для расчетного определения скоростей витания имеет следующий вид /16/ где С/э - средний эквивалентный диаметр зерна (диаметр шара, равновеликого по объему реальному зерну).; Р - плотность зерен порошка; Р0 - плотность среды. Сложность расчета скоростей витания зерен, прежде всего, связана с тем, что коэффициент Д зависит от формы зерен и гидродинамического режима обтекания их средой. Режим обтекания частицы средой определяется критерием Рейнольдса где у - кинематическая вязкость среды. Для сферических частиц при Д 0,05 движение имеет ламинарный характер, при Rp 10 - турбулентный. При промежуточных значениях Re. режим обтекания частиц называется переходным. Для частиц нешарообразной формы нижний предел Re при турбулентном движении выше и зависит от V . При Re 2 I03 движение турбулентно для частиц любой формы. В настоящее время для частиц сферической формы имеется целый ряд расчетных формул, позволяющих определять коэффициент _Д при различных режимах обтекания. При ламинарном режиме обте кания, характер которого определяют силы трения, решение уравне ния Навье-Стокса приводит, если пренебречь инерциальными Состав ам 1 - ляющими, к известному выражению для коэффициента Л Б (формула Стокса).
В режиме развитого турбулентного обтекания Л В переходном режиме предложен ряд формул, которые описывают зависимость л=Т[" е) с той или иной степенью приближения. Известно, в частности, несколько двучленных формул /68,71,139/, из которых больше других для практических расчетов приемлема формула Литвинова Представляют интерес формулы, предложенные Бабухой Г.Л. и Шрайбером А.А., которые по оценке авторов обеспечивают точность в пределах 6+12$ /5,124/ Наиболее известной и распространенной в диапазоне Re = 2 500 является формула Аллена Д2І/: Путем подстановки Д из формулы Стокса (Ах р )» ФР мулы Аллена и известного его значения для турбулентного режима обтекания в формулу 1.4,1 получены расчетные формулы для расчета скоростей витания шарообразных частиц /31/: для ламинарного режима (закон Стокса) для турбулентного режима (закон Ньютона) Для переходного режима при ле = 24500 (формула Аллена) гдеу!/ - динамическая вязкость среды. Из приведенных формул видно, что скорости витания зерен и коэффициенты их лобового сопротивления зависят от размеров зерен, причем в наибольшей степени эта зависимость проявляется при ламинарном режиме обтекания и в наименьшей - при развитом турбулентном режиме. Все приведенные выше формулы относятся к шарообразным частицам. Однако, на практике в большинстве случаев приходится иметь дело с частицами, форма которых отличается от сферической.
Сопротивление таких частиц при движении в газообразной среде зависит не только от режима обтекания (от л є ), но и от коэффициента сферичности J , характеризующего форму зерен. Влияние формы зерна по разному отражается на характере изменения коэффициента лобового сопротивления и поведения частицы в потоке в зависимости от режима обтекания. При ламинарном режиме свободного падения частицы неправильной формы практически сохраняют первоначальную ориентацию, хотя отмечается слабое стремление повернуться большой осью параллельно направлению вектора относительной скорости /32/. При турбулентном обтекании частицы стремятся повернуться таким образом, чтобы сопротивление их движению было наибольшим. В этом случае, из-за несимметричности частиц наблюдается их вращение и вибрация /127/. В переходной области ориентация частиц неустойчива, сопровождается колебаниями, амплитуда которых возрастает с увеличением пе .
Разработка методик определения коэффициентов сферичности зерен алмазных шлифпорошков
Для определения коэффициентов сферичности зерен шлифпорошков нами использован принцип, основанный на измерении гидравлического сопротивления слоя порошка потоку газа, которое выражается формулой /31,66/ где jm - коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от режима движения газа, определяемого значением критерия Рейнольдса ( Re ); L - порозность (пористость) неподвижного слоя порошка Л - насыпная плотность порошка; L - высота слоя порошка. В формуле 2.2.1 показатель степени П зависит от режима движения частицы и равен I для ламинарного режима движения воздушного потока (ле 10), а для развитого турбулентного режима приближается к 2. Коэффициент fm для ламинарного режима равен 100/е /31,66/. С учетом этого получена известная формула /66/: Значение может изменяться, в зависимости от способа засыпки порошка в кювету, интенсивности утряски, диаметра кюветы и других факторов. Поэтому формула 3.2.5 преобразована нами и приведена к более удобному для расчетов виду таким образом, что вместо в ней фигурируют радиус кюветы 2 , высота слоя L и плотность порошка где Q. - расход воздуха через кювету; Ґ] - масса порошка в кювете. На описанном принципе разработана установка и методика для определения коэффициента сферичности зерен алмазных шлифпорошков /81/. Установка рис.2.2 состоит из компрессора I, рессивера 2, емкости с силикагелем 3, ротаметра 4, кюветы 5 с исследуемым порошком, U - образного жидкостного манометра б и фильтра 7. Осушенный воздушный поток, расход которого регулируется вентилем и измеряется расходомером, пропускается через кювету с засыпанным в. нее порошком. Создаваемый при этом перепад давления измеряется манометром. Диаметр кюветы - 12 мм. Он должен быть не менее, чем в 16 раз больше максимального размера зерен испытываемого порошка
Методика проведения измерений заключается в следующем: отбирают объединенную пробу порошка массой не менее 25 г. Отбор пробы производят следующим образом. Порошок после тщательного перемешивания высыпают на кальку, разравнивают тонким слоем по форме квадрата с размером стороны 30 50 см, затем делят его на малые квадраты со стороной около 5 см. Из середины малых квадратов шпателем отбирают точечные пробы, которые затем соеди няют вместе, тщательно перемешивают. От объединенной пробы отвешивают навеску алмазного порошка массой 10 20 г (для взвешивания используют весы лабораторные, 2 кл., марки ЛДВ-200). Включают подачу воздуха и с помощью регулировочного вентиля устанавливают необходимый объемный расход воздуха. При фиксированном объемном расходе воздуха измеряют перепад давления на фильтре Л Р р по манометру. Затем прекращают подачу воздуха. В кювету высыпают навеску алмазного порошка и легким встряхиванием добиваются выравнивания верхней границы слоя. Подают в кювету воздух с тем же объемным расходом, при котором измерялся перепад на фильтре. Измеряют суммарный перепад давления, создаваемый слоем порошка и фильтром дРо5.
По шкале, имеющейся на кювете, измеряют высоту слоя порошка. Испытания проводят не менее 3-х раз при одном и том же объемном рааходе воздуха. После окончания испытаний проверяют лРср (в расчет берут среднее значение сопротивления фильтра). Перепад давления, подставляемый в расчетную формулу (2.2.6) получают как разность между л Яй" ж А Рср . Коэффициент сферичности У рассчитывается как среднее арифметическое по результатам проведенных измерений. В случае, когда известна удельная поверхность иуд. значе ние f можно определять как отношение удельной поверхности рав новеликих по объему (массе) шаров Syd.ui. к удельной поверхности реального порошка, т.е. /г г иуд.ш. Поскольку с =-— /121/, получим Необходимо отметить, что коэффициент сферичности, рассчитанный по удельной поверхности порошка % , в общем случае может отличаться от по следующим соображениям. При определении H f по описанной выше методике на результаты практически не влияет v шероховатость поверхности зерен порошков, т.к. при /\е 10.-. указан ная характеристика не оказывает заметного влияния на процесс про текания газа через слой порошка и не отражается на перепаде давле ния дР /15,42,75,121/. Если же удельная поверхность определяется, например, методом квазистационарной фильтрации газа на приборе Дерягина, то при этом измеряется полная внешняя поверхность частиц с учетом микронеровностей, т.е. с учетом шероховатости поверхности зерен.
Поэтому У может быть равно % , если исследуемый по рошок содержит гладкие зерна, а в большинстве случаев Ц Щ , причем, очевидно, соотношение между % и У/ может явиться косвенным критерием оценки шероховатости поверхности зерен шлиф порошков. В качестве такого критерия нами предложено принять отно шение КиГІр Физический смысл этого критерия в том, что он представляет собой отношение площади поверхности, приходящейся на долю шероховатости, к полной поверхности зерна. Для идеально гладких зерен Кш = 0. Предложенный критерий не позволяет определить истинную величину микронеровностей, он оценивает некоторую гидродинамическую шероховатость. Однако его использование может быть полезным при сравнении характера поверхности зерен шлифпорош-ков различных марок, а также при разработке и анализе закономерностей процессов классификации шлифпорошков.
Экспериментальное определение аэродинамических характеристик шлифпорошков синтетических алмазов
Экспериментальное определение скоростей витания зерен шлиф порошков из синтетических алмазов производилось по описанным выше методикам с использованием лабораторного гравитационного сепаратора "Анализетте-8" /80,112/. Среднединамические скорости витания различных зернистостей определялись для шлифпорошков основных выпускаемых в промышленных масштабах марок АС2, АС4, АС6, а также высокопрочной марки АС32 в интервале крупности от 40 до 160 мкм, что позволило осуществить сравнительный анализ аэродинамических характеристик шлифпорошков указанных марок. Исходные данные для построения кривых зависимостей )l-f\Wj приведены в прилож.4. По этим данным построены графики указанных зависимостей. На рис.3.2 показан вид кривых y--f(w) для шлифпорошков марки АС2, Для численного интегрирования указанных кривых по формулам 2.3.1, 2.3.2, 2 выбиралось равным 10, Q - 6 = 100$.
Исходные данные для расчета W&QO, ПО формуле Симпсона представлены в приложении 4. Рассчитанные описанным выше методом значения Wg приведены в табл.3.4. Полученные результаты свидетельствуют о различии между скоростями витания зерен шлифпорошков различных марок. Наименьшими скоростями витания из всех исследованных марок обладают шлифпорошки марки АС2, затем, в порядке возрастания, следуют АС4, AG6, АС32. . По результатам проведенных исследований построены графики зависимостей Wgr7( Q/ . При этом среднединамические скорости витания отнесены к среднему размеру зерен основной фракции (рис. 3.3). По указанным кривым получены значения скоростей витания зерен, размеры которых соответствуют размерам ячеек сит при классификации, т.е. граничным размерам по ситовому анализу (40,50,63, 80,100,125 мкм). Значения скоростей витания этих зерен представлены в табл.3.5. Кроме описанных исследований среднединамических скоростей витания шлифпорошков различных зернистостей были проведены эксперименты по определению скоростей витания зерен с использованием кривых фракционного разделения. Исследованиям подвергались порошки из синтетических алмазов марок АС2 и AG4. Результаты разделения указанных порошков при различных скоростях потока воздуха приведены в таблицах приложения 4.
На основании этих результатов рассчитаны значения фракционного извлечения для каждой узкой фракции Ркр (c/i) (приложение 4) и построены кривые фракционного разделения для шлифпорошков марок АС2 (рис.3.4) и АС4 (рис.3.5). Анализ полученных кривых позволил установить границы разделения для каждого режима, т.е., как указывалось выше, определить значения средних скоростей витания зерен различных размеров (табл.3.5). Разница медцу значениями скоростей витания зерен, полученными по различным методикам, не превышает 10+12$. Б определенной степени это различие можно объяснить высказанным ранее предположением о том,что истинный средний размер зерен не всегда соответствует расчетному
Анализ зависимости мевду прочностными и аэродинамическими характеристиками шлифпорошков
При экспериментальном изучении аэродинамических характеристик шлифпорошков было показано, что порошки основной фракции той или иной зернистости содержат зерна,,значительно различающиеся по скоростям витания. Полученные зависимости позволяют проанализировать, какой вклад в это различие скоростей приносят различия зерен по размерам и по форме. Если бы в порошке данной зернистости содержались зерна одной формы с коэффициентом сферичности [ср , то соотношение максимальной и минимальной скорости витания составило бы Сс/ и зависало бы только от ул«х Поэтому для реального порошка данной зернистости можно записать где Су - коэффициент, учитывающий разнообразие зерен по форме. Расчет по предложенной формуле (3.3.4) показывает, что, например, для шлифпорошков АС2, АС4, АС6 зернистостью 125/100 находится в пределах 1,2-1,25. Экспериментально показано (разд. 3.2), что We /nayдля- этих порошков составляет 1,6-1,75. Поэтому Ly/ находится в пределах 1,3-1,4, т.е. при разделении в воздушном потоке узких фракций шлифпорошков коэффициент сферичности окн-зывает большее влияние на процесс, чем разница в размерах частиц. Для иллюстрации этого вывода на рис.4.8 представлены зарисовки формы зерен одной и той же зернистости, различающихся средними скоростями витания (зарисовки выполнены с экрана проектора ЧП-2 при увеличении 200х). На этих рисунках четко видно, что зерна, тлеющие большую скорость витания имеют более правильную форму и менее развитую поверхность.
Поскольку форма зерен находится в непосредственной связи с прочностью зерен, проведенные исследования позволили предположить наличие корреляционной зависимости между прочностными и аэродинамическими характеристиками шлифпорошков. Для изучения этой зависимости проводились эксперименты, включавшие фракционное разделение в потоке воздуха порошков, содержащих зерна примерно одного размера (основной фракции одной зернистости), определение разрушающей нагрузки при сжатии и скоростей витания зерен каждой фракции. На рис.4.9 приведена зависимость между разрушающей нагрузкой зерен различных марок шлифпорошкбв и скоростями их витания для зернистости 125/100. Результаты экспериментов показаяи, что в пределах определенной зернистости шпфпорошков зерна, обладающие более высокой скоростью витания, имеют большую разрушающую нагрузку. Однако поскольку на прочность зерен влияет также целый ряд факторов, не отражающихся на аэродинамических характеристиках (содержание и характер примесей, внутренние дефекты строения зерна и т.д.), их необходимо исключить при поиске указанной корреляционной связи.
Поэтому в качестве параметра, характеризующего результаты эксперимен-тов, было принято отношение -г— и проводился анализ зависимос-ти мезду этим параметром и отношением гп - , где гСр и средние значения разрушающей нагрузки и скоростей витания зерен для шлифпорошков данной зернистости, Pi и Wi - те же характеристики для фракции порошка, выделенной из данной зернистости в воздушном потоке. Результаты этих исследований представлены в табл.4.5 и на рис.4.10. Графическим методом найдена аппроксимация указанной корреляционной связи уравнением первого порядка Графический метод чрезвычайно прост, однако более точно коэффициенты регрессии Q. is. О определяются путем регрессионного анализа с использованием метода наименьших квадратов /99/ для однофакторного линейного уравнения. Определение однородности дисперсий по критерию Кохрена иап выполнено на основе результатов параллельных измерений (табл.4.6) где Ov - выборочная дисперсия для кавдой точки; П)і - количество точек, в которых проведены параллельные измерения; 5mrtv - максимальная дисперсия в рассматриваемых эксперимен тальных точках л . показал анализ для основной фракции шлифпорошков стандартных зер-нистостей узкого диапазона -Ж- не может быть меньше 0,6 0,7. Максимальная ошибка расчетного значения р при Ь% уровне значимости находится по известным формулам для линейного одно-факторного уравнения /99/ где t - критерий Стьвдента, выбираемый по таблицам для числа степеней свободы J = f+fL (в нашем случае J = 15+6=21; = 2,09). При 5% уровне значимости Сравнение результатов эксперимента с" расчетными данными показывает, что в исследованных точках отклонение не превысило 11% (табл.4.7). Установленная корреляционная связь между аэродинамическими и прочностными характеристиками шлифпорошков обусловила возможность разработки метода аэродинамической сепарации шжфпорошков по форме, характеру поверхности и прочности зерен.
