Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 9
1.1. Краткая характеристика стекла, как конструкционного материала 9
1.2. Механизм процессов и влияние технологических факторов на эффективность шлифования стекла 16
1.2.1. Технологические особенности шлифования стекла 16
1.2.2. Процессы, протекающие в контактной зоне при шлифовании стекла 17
1.2.3. Влияние отдельных факторов на технологические показатели
обработки стекла .' 23
1.3. Механизмы действия сотс при абразивной обработке
хрупких неметаллических материалов 30
1.3.1. Охлаждающее действие СОТС 30
1.3.2. Смазочное действие СОТС 33
1.3.3. Моющая способность СОТС 37
1.3.4. Диспергирующее и пластифицирующее действие СОТС 38
1.3.5. Применение СОТС при шлифовании стекла 44
1.4. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 51
1.4.1. Выводы по аналитическому обзору 51
1.4.2. Постановка задачи исследования 52
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ СТЕКЛА 54
2.1. Трибометрическая система для исследования процесса шлифования стекла 54
2.1.1. Общее устройство системы 54
2.1.2. Конструкция измерителя силы трения инструмент-образец 57
2.1.3. Поворотное устройство 61
2.1.4. Датчик съема материала 63
2.2. Измерение средних температур в зоне шлифования 66
2.3. Исследование влияния нагрузки и скорости на интенсивность сошлифовывания и силы трения при шлифовании стекла в среде СОТС 69
2.3.1. Методика измерения интенсивности сошлифовывания стекла 69
2.3.2. Влияние нагрузки на время и усилия шлифования в среде СОТС ....71
2.3.3. Исследование влияния скорости шлифования на время обработки и силы при шлифовании стекла в среде СОТС 73
2.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 76
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПАВ НА ПРОЦЕСС ШЛИФОВАНИЯ СТЕКЛА 77
3.1. Влияние концентрации пав в растворе на интенсивность шлифования стекла 77
3.1.1. Краткая характеристика исследуемых ПАВ 77
3.1.2. Шлифование стекла в среде СОТС содержащих ПАВ 82
3.2. Влияние концентрации пав на физико-химические свойства раствора 84
3.2.1. Исследование поверхностного натяжения растворов ПАВ 84
3.2.2. Исследование капиллярного поднятия растворов ПАВ 86
3.3. Влияние растворов пав на микротвердость стекла 90
3.3.1. Методика измерения пластических свойств 90
3.3.2. Влияние метода очистки поверхности 92
3.3.3. Влияние нагрузки и метода испытаний 96
3.3.4. Влияние состава и концентрации ПАВ в растворе 98
3.4. Исследование влияния сотс на строение и структуру
зоны разрушения 103
3.4.1. Электронно-оптический анализ шлифованной поверхности 103
3.4.2. Электроннографический анализ зоны разрушения 111
3.5. Выводы по главе 3 120
ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ТРЕХКОМПОНЕНТНОИ СОТС ДЛЯ ПОЛУЧИСТОВОГО ШЛИФОВАНИЯ СТЕКЛА 121
4.1. Оптимизация состава трехкомпонентнои СОТС методами планирования эксперимента 121
4.1.1. Постановка задачи исследования 121
4.1.2. Краткая характеристика метода планирования 122
4.1.3. Предварительное планирование эксперимента по оптимизации состава СОТС 123
4.1.4. Оптимизация состава трехкомпонентной СОТС 126
4.2. Исследование технологической эффективности
трехкомпонентной СОТС 133
4.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 137
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 138
ЛИТЕРАТУРА 140
ПРИЛОЖЕНИЯ 151
- Краткая характеристика стекла, как конструкционного материала
- Трибометрическая система для исследования процесса шлифования стекла
- Влияние концентрации пав в растворе на интенсивность шлифования стекла
- Оптимизация состава трехкомпонентнои СОТС методами планирования эксперимента
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС) — неотъемлемая часть технологического процесса механической обработке материалов. Применение СОТС позволяет повысить производительность процесса, повысить качество получаемой продукции, продлить ресурс работы инструмента.
Появление новых материалов, возрастающие требования к качеству продукции и к экологической безопасности производства обусловливают необходимость расширять ассортимент СОТС. Малоизученной операцией в отношении применения СОТС является обработка стекла алмазным инструментом. Основной СОТС, применяемой на данной операции, по-прежнему остается вода. Вода обеспечивает хорошее охлаждение зоны обработки и доступна для потребителя. В то же время, вода не обладает хорошими смазочными свойствами и склонна охрупчивать стекло за счет эффекта повышения твердости. Это приводит к большому количеству дефектов обработки, появлению сколов и др.
Ассортимент специальных СОТС для абразивной обработки стекла ограничивается эмульсолами марки "Эдоксом" и "Эмус". Недостатками эмульсолов являются нестабильность смеси, малый срок службы, плохие экологические показатели их применения. Мало данных о применении для шлифования стекла синтетических СОТС на основе водорастворимых полимеров и растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ). Известно, что применение поверхностно-активных веществ (ПАВ), позволяет улучшить моющую способность СОТС, добиться снижения критических напряжений и активно воздействовать на механизмы деформации и разрушения поверхностных слоев.
Большое разнообразие типов стекол, видов их абразивной обработки, режимов шлифования затрудняет разработку универсальных СОТС. Кроме того, разработка новых СОТС осложняется отсутствием надежных экспресс- методик, позволяющих оперативно оценивать технологическую эффективность разрабатываемых составов.
ТТЕЛЪ РАБОТЫ. Разработка состава эффективной синтетической СОТС для операции получистового шлифования калий-свинец-силикатного стекла алмазными кругами на металлической связке.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Процесс абразивной обработки стекла с использованием синтетических СОТС.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
Получены экспериментальные зависимости влияния концентрации компонентов ПАВ в водном растворе СОТС на интенсивность процесса шлифования стекла. Установлено, что зависимости носят экстремальный характер с минимумом времени обработки в районе концентраций 0,05...0,5 мае. %.
Обнаружено, что водные растворы гликолей в качестве СОТС обладают более высокой технологической эффективностью по сравнению с эффективностью растворов традиционных ПАВ.
Установлено, что присутствие ПАВ в зоне разрушения при шлифовании стекла стимулирует процессы кристаллизации отделяемых микрообъемов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:
Разработана трибометрическая система для изучения действия СОТС на процессы абразивной обработки стекла, которая позволяет проводить измерения скорости съема материала, силы резания, температуры зоны обработки в диапазоне скоростей резания 7...11 м/с.
Апробирована экспериментальная методика по изучению влияния внешней среды на пластические свойства стекла, моделирующая воздействие на поверхность единичного абразивного зерна.
Даны рекомендации по созданию и выбору составов СОТС, способствующих повышению производительности и качества процесса плоскогранильного шлифования стекла.
Разработан состав трехкомпонентной СОТС для получистового шлифования калий-свинец-силикатного стекла, который позволяет увеличить интенсивность шлифования на 10%, уменьшить износ абразивного инструмента в 2 раза.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Результаты работы переданы в виде рекомендаций на предприятие ЗАО Приволжский ювелирный завод "Красная Пресня", г. Приволжск Ивановской области.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Международных научно-технических конференциях: "IX Бенардосовские чтения", Иваново, 1999; "Новые материалы и технологии на рубеже веков", Пенза, 2000; Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов", Рыбинск, 1999; IV Международной конференции по лиотропным жидким кристаллам, Иваново, 2000.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений, содержит 156 страниц печатного текста, 47 рисунков, 11 таблиц, имеются ссылки на 110 литературный источник.
Во введении обоснована актуальность проблемы, обозначена цель исследования, определены методические и теоретические основы работы, изложена научная новизна и практическая ценность.
В первой главе содержится аналитический обзор научно-технической литературы, касающейся структуры и методов обработки стекла, механизма действия внешних сред при алмазно-абразивной обработке хрупких материалов и конкретизированы задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке экспериментальной установки для изучения процесса шлифования стекла инструментом со связанным абразивом, изучению основных закономерностей процесса и отработке методики определения эффективности процесса.
Третья глава посвящена исследованию влияния однокомпонентных растворов ПАВ на эффективность шлифования на технологические показатели процесса шлифования стекла, качество и физическое состояние поверхности стекла. Кроме того, изучались физико-химические свойства растворов ПАВ с целью связать эффективность действия СОТС со свойствами раствора.
В четвертой главе рассматриваются вопросы оптимизации состава СОТС для обработки калий-свинец-силикатного стекла и сравнительным испытаниям эффективности разработанной СОТС.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю член-корр. Академии технологических наук РФ, заслуженному деятелю науки и техноки РСФСР, д.т.н. профессору В.Н. Латышеву, преподавателям и сотрудникам кафедры экспериментальной и технической физики: к.т.н. В.В. Новикову, д.т.н. проф. В.А. Годлевскому, к.ф.-м.н. проф. А.И. Александрову, д.т.н. с.н.с. А.Г. Наумову, к.т.н. М.Н. Суменову, СЕ. Невской, И.В. Муравьевой, П.В. Пис-кареву, зав. лабораторией ОАО "Ивхимпром" З.К. Тимохиной и директору ЗАО Приволжский ювелирный завод "Красная Пресня" С.А. Обабкову.
Краткая характеристика стекла, как конструкционного материала
Стекло - это макроскопически однородное аморфное вещество, полученное при затвердевании сплава окислов. Стеклообразующими окислами являются Si02; А1203; В2О3 и Р2О5. Общая характеристика стекла, как конструкционного материала содержится, например, в работах [9, 37].
Структура стекла. В отличие от кристаллических твердых тел аморфные или стекловидные вещества не обладают кристаллической решеткой, им присуще только локальное внутреннее упорядочение - отдельные группы, которые несимметрично связаны между собой (рис. 1.1). Современные структурные исследования показывают, что стекла имеют полимерно-кристаллитную структуру: основу образует пространственная сетка из однородных звеньев-полиэдров, а кристаллиты являются частью этой сетки. Объем отдельных кристаллитов мал. Наибольший порядок имеет центр кристаллита с размерами около 1 нм, т.е. в несколько элементарных ячеек. При удалении от центра кристаллита порядок в размещении атомов уменьшается и вновь возрастает при подходе к центру соседнего кристаллита.
Химический состав и классификация стекол. Сырьевые материалы, применяемые в производстве стекла делятся на главные стеклообразующие материалы и вспомогательные материалы.
Главными стеклообразующими материалами являются: чистый кварцевый песок - Si02; сода - Na2C03; поташ - К2СОз; сульфат натрия - Na2S04; известняк - СаСОз; борная кислота - Н3ВО3; фосфаты и др.
К вспомогательным материалам относятся красители [22], обесцвечивающие вещества, окислители, восстановители, осветлители. В качестве красителей используют: оксид кобальта(П) - СоО - окрашивает стекло в синий цвет; оксид хрома (III) - Cr203 - зеленое стекло; хлорид золота - рубиновое стекло и др. Обесцвечивающими веществами являются: селен, оксид марганца и др. В качестве окислителей используют натриевую и калиевую селитру; восстановителями являются уголь, кокс, соединения олова. Например, для получения мало прозрачного "молочного" стекла применяют фторид кальция, кремнефтористый натрий, а также соли фосфорной кислоты и соединения олова. Осветлителями, т.е. материалами, облегчающими процесс удаления из стекломассы газовых пузырьков, являются нитрат аммония - NH4N03, сульфат аммония - (NH SO хлорид натрия - NaCl, оксиды мышьяка (III) и (V) - As203.
В зависимости от того, какие из оксидов (диоксидов) при охлаждении расплава способны сами по себе, без примеси других элементов, образовывать стекла, различают силикатные (образованные диоксидом кремния (кремнезем) Si02); фосфатные (образованные оксидом фосфора (V) Р205); боратные (образованные полуторным оксидом бора В203) стекла. К силикатным принадлежат большинство промышленных стекол: листовое, архитектурное, тарное, сортовое. Фосфатные составы используют в производстве технических и оптических стекол, эмалей, в электровакуумной промышленности. Смешанные боросили-катные стекла (содержание В203 Si02) широко применяют для производства оптических, термически устойчивых и электровакуумных изделий. Каждая из групп силикатных, а также боратных и фосфатных стекол может включать несколько десятков и даже сотен стекол, существенно различающихся по содержанию входящих в них оксидов и диоксидов металлов. Химический состав стекла определяет область его технического применения (табл. 1.1).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ СТЕКЛА 54
Трибометрическая система для исследования процесса шлифования стекла
Для определения эффективности действия СОТС на процессы шлифования стекла необходимо точно замерять многие данные, такие как съем материала, силу трения инструмента и шлифуемого образца, температуры в зоне обработки, причем делать это в широком диапазоне условий — скоростей шлифования, нагрузок и т.п. Для этого необходимо устройство, которое бы имитировало процесс шлифования стекла в заданных условиях.
Для этих целей нами была создана специальная трибометрическая система, моделирующая процесс широкоплоскостного гранения стеклянных шариков (рис. 2.1 и 2.2.). Данная измерительная система была создана на базе гранильно-полировального станка ГП-2, предназначенного для гранения и полирования ювелирных камней. Конструктивная основа установки: на чугунном основании — станине закрепляется электродвигатель и шлифовальный круг, которые связанны клиноременной передачей. Система сменных шкивов обеспечивала возможность ступенчатого переключения скорости вращения шлифовального круга в диапазоне 1400...2800 об/мин.
СОТС в зону обработки подавали свободным поливом из емкости объемом 1,5 литра, закрепленной на высоте около 1 м над зоной обработки, через шланг диаметром 5 мм. Расход жидкости составлял примерно 0,5 л/мин.
Кинематическая схема установки представлена на рис. 2.3. В качестве абразивного инструмента применяли алмазную планшайбу марки А1ПВ на металлической связке М-1 размерами 0140x70 мм (3). Прижимание образца (4) -стеклянного шарика 06 мм к инструменту осуществляли вертикальным нагру-жением грузами (5) различной массы, что позволяло проводить испытания при нагрузках до 500 г. Образец закрепляется в специальном металлическом держателе.
Измерительная головка (подвеска) включает в себя три устройства: 1) си-лоизмеритель с аналоговым сигналом на выходе для регистрации изменения силы резания; 2) поворотное устройство, которое обеспечивает возвратно-поступательное перемещение образца во время экспериментов; 3) датчик вертикальных перемещений держателя образцов на базе лазера-указки.
title3 Влияние концентрации пав в растворе на интенсивность шлифования стекла link3
Как показал литературный обзор, наиболее эффективными присадками к СОТС для шлифования стекла должны являться поверхностно-активные вещества. Действенность ПАВ обусловлено сильным влиянием на энергетическое состояние и структуру межфазной поверхности стекла, его механические свойства. ПАВ концентрируются на поверхности раздела фаз, вызывая снижение поверхностного (межфазного) натяжения.
Типичные ПАВ — органические соединения, молекулы которых имеют дифильное строение, т.е. содержат лиофильные и лиофобные (обычно гидрофильные и гидрофобные) атомные группы. Гидрофильные группы обеспечивают растворимость ПАВ в воде, гидрофобные (обычно углеводородные) при достаточно высокой молярной массе способствуют растворению в неполярных средах. В адсорбционном слое на границе фаз дифильные молекулы ориентируются энергетически наиболее выгодным образом: гидрофильные группы — в сторону полярной (обычно водной) фазы, гидрофильные — в сторону неполярной (газовой или углеводородной) фазы.
Молекула ПАВ имеет в своем составе так называемую полярную группу (может быть и не одну) и углеводородный радикал. Роль полярной группы выполняют СООН-, NH , ОН —, S02OH — и другие группы атомов. Углеводородный радикал обычно представляет собой линейную (алифатическую) цепочку атомов углерода с боковыми водородными атомами. Длина радикала оценивается числом атомов углерода п в цепи. Обычно п = 1.. .25.
Основные физико-химические и технологические свойства ПАВ определяются так называемым гидрофильно-лиофильным балансом (ГЛБ) их молекул. ГЛБ зависит от химического строения и соотношения молярных масс гидрофильных и гидрофобных групп. По эмпирической шкале Гриффита числа, характеризующие ГЛБ, увеличиваются с возрастанием влияния лиофильных групп на свойства ПАВ.
По типу гидрофильных групп различают ионные (ионногенные) и неионные (неионногенные) ПАВ. Первые диссоциируют в воде на ионы, одни из которых поверхностно активные, другие (противоионы) — нет. В зависимости от знака заряда поверхностоно-активного иона ПАВ делят на анионные, катион-ные и амфотерные (амфолитные). Молекулы неионных ПАВ не диссоциируют в растворе и сохраняют электрическую нейтральность.
Для исследований был выбран ряд однокомпонентных водных растворов традиционных ПАВ (мыла технического, стеарокса-6, триэтаноламиновой соли олеиновой кислоты, динатриевая соль сольфоянтарной кислоты (ДНСА), лау-рилсульфат, авироль ОГ, эфиров жирных кислот). Кроме традиционных ПАВ исследовались растворы многоатомных спиртов гликолей (этилен-, диэтилен-, триэтилен- и полиэтиленгликоля) (табл.3.1), эффективность которых в процессах обработки хрупких твердых тел показана в работах [43-45, 57].
Концентрация компонента в исследуемом растворе варьировалась от 0,001 до 1 мас.%. Растворы с меньшим содержанием ПАВ готовились из приготовленного в начале экспериментов базового 1 %-го раствора. Растворы с содержанием ПАВ более 1 % не приготовлялись, поскольку для многих ПАВ (мыла, стеарокса) это невозможно из-за сильного загущения получаемого состава и потерю им видимой текучести. Ниже приведем краткие физико-химические характеристики исследуемых веществ.
Оптимизация состава трехкомпонентнои СОТС методами планирования эксперимента
Проведенные испытания однокомпонентных водных растворов ПАВ, результаты которых представлены в главе 3, показали, что максимальная технологическая эффективность применения данных растворов в качестве СОТС достигается при определенной концентрации присадки в растворе. В зависимости от природы ПАВ оптимальная концентрация присадки находится в районе концентраций 0,05...0,5 мае. %.
Изучение литературных данных показывает, что более эффективными, чем однокомпонентные растворы, могут являться смеси нескольких ПАВ. Например, в работах [57, 76] показана высокая эффективность смесей ионногенных и неионогенных ПАВ в растворах электролитов.
В нашем случае, изучение влияния на процесс шлифования стекла традиционных ПАВ и гликолей показывает, что смесь данных растворов будет более эффективной, чем однокомпонентные растворы. Гликоли будут проявлять свое влияние в качестве компонента, легко проникающего в капиллярную сеть поверхностных микротрещин и расклинивающего эти микротрещины. Традиционные ПАВ будут способствовать дальнейшему диспергированию разрушенного слоя и вымыванию шлама из зоны обработки.
На данном этапе исследований мы остановились на варианте оптимизации состава СОТС на базе водного раствора трех веществ, наиболее эффективно ускоряющих в зоне оптимальных концентраций процесс шлифования стекла: — этиленгликоля, динатриевой соли сульфоянтарной кислоты (ДНСА) и лаурил сульфата. Разрабатываемую СОТС в дальнейшем будем называть просто трех-компонентная СОТС.
