Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование взаимосвязи свойств инструмента на бакелитовой связке и технологических показателей процесса абразивной обработки 6
2. Структурно-механическая модель отрезного круга на бакелитовом связующем 30
3. Влияние состава и свойств бакелитовой связки на физико-механические и эксплуатационные показатели отрезных кругов 36
3.1. Влияние процентного содержания уротропина в новолачном связующем на качество абразивных кругов 36
3.2. Влияние процентного содержания уротропина в связующем на эксплуатационные показатели отрезных кругов 49
3.3. Исследование влияния динамической вязкости жидкого бакелита марки БЖ-3 на механическую прочность отрезных кругов 52
4. Структурно-механические характеристики отрезного абразивного круга и его эксплуатационные показатели 57
4.1. Физико-механические характеристики компонентов отрезных кругов 58
4.2. Исследование эксплуатационных показателей экспериментальных отрезных кругов 67
5. Разработка методики оценки технологических показателей формовочных смесей на основе бакелита 77
6. Разработка технологии производства отрезных бакелитовых высокопроизводительных кругов 82
Выводы 97
Список литературы 99
Приложения 112
- Исследование взаимосвязи свойств инструмента на бакелитовой связке и технологических показателей процесса абразивной обработки
- Структурно-механическая модель отрезного круга на бакелитовом связующем
- Влияние процентного содержания уротропина в связующем на эксплуатационные показатели отрезных кругов
- Исследование эксплуатационных показателей экспериментальных отрезных кругов
Введение к работе
В связи с переходом различных предприятий машиностроения и других отраслей промышленности на применение автоматизированных и поточных линий требуется абразивный инструмент повышенного качества. Кроме того, абразивный инструмент на бакелитовой связке в зависимости от назначения, различается по своей рецептуре, структуре, твердости и другим показателям. Разносторонность проблем требует дальнейшего изучения свойств различных видов абразивного инструмента, свойств исходных компонентов круга, а, в первую очередь, повышение их качества по различным показателям, как: коэффициент шлифования, стойкость, механическая прочность, отсутствие прижогов и другие.
Стремление механизировать и автоматизировать процесс производства абразивного инструмента на бакелитовой связке ставит задачу получения формовочных смесей определенного качества, при этом качество абразивного инструмента не должно «страдать», наоборот, желательно получить инструмент с более высокими показателями.
Вопрос получения качественных формовочных смесей весьма актуален для абразивного производства, в особенности при производстве высокоскоростных отрезных кругов, так как это позволяет добиться высокой прочности, эксплуатационных показателей, физических характеристик инструмента, высокий класс неуравновешенности.
Значительная роль в формировании качества готовой продукции при производстве абразивного инструмента принадлежит процессу приготовления абразивной смеси - процессу смешивания. Смешивание - это основополагающая технологическая операция, в ней закладываются качественные показатели инструмента:
получение заданной твердости;
однородность твердости;
определенный класс неуравновешенности;
механическая прочность.
Формовочная абразивная смесь представляет собой механическую композицию связки, абразива, наполнителя, пор. В зависимости от назначения готовой продукции соотношение компонентов смеси варьируется в широких пределах. Качество смеси определяется однородностью распределения компонентов по объему и плотностью. До настоящего времени приготовление формовочной смеси на бакелитовой связке осуществлялось одностадийным методом.
Для получения высокопроизводительных отрезных кругов необходима формовочная смесь, состоящая из отдельных гранул, характеризующаяся тем, что она не слеживается, обладает исключительно хорошей сыпучестью и содержит незначительное количество свободного связующего, не успевшего войти в состав гранул. Также формовочную смесь можно получить новым методом - двухстадийным с добавлением особых наполнителей.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
Разработать структурно- механическую модель отрезного круга на бакелитовой связке.
Провести исследование влияния свойств бакелитовой связки на физико - механические и эксплуатационные показатели отрезного круга:
-определить оптимальное количество уротропина в связующем; -определить оптимальное значение вязкости жидкого бакелита.
3. Разработать методику для оценки технологических показателей
формовочных смесей.
4. Разработать и внедрить новую технологию производства
высокопроизводительных отрезных кругов.
Исследование взаимосвязи свойств инструмента на бакелитовой связке и технологических показателей процесса абразивной обработки
Повышение эффективности работы абразивного инструмента на бакелитовой связке и качества абразивной обработки является в настоящее время актуальной научной задачей, имеющей важное прикладное значение. Решение комплексной научной задачи непрерывно связано с дальнейшим совершенствованием эксплуатационных показателей абразивного бакелитового инструмента.
Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых, таких как В.Н. Любомудров, А. Кноп, В. Шейб, В.В. Райт, P.M. Зильберман, показано, что свойства инструмента на бакелитовой связке определяются параметрами технологического процесса его производства (смешивание, разрыхление, формование, термическая обработка) и свойствами исходных материалов. Это, в свою очередь, определяет область применения данного инструмента и выбор режимов шлифования, отрезки.
На рис. 1.1 представлен технологический процесс производства абразивного инструмента на бакелитовой связке.
Абразивный инструмент на бакелитовой связке имеет следующие области применения: хонингование; резьбошлифование; шлифование микропорошковыми зернистостями; заточка инструмента; отрезка и прорезка пазов; торцешлифоаание; обдирка.
Многообразие изделий из полимерных композиционных материалов и инструментов на бакелитовой связке, требует разнообразных методов изготовления.
Выбор метода и параметров технологического режима изготовления определяется видом полимерного связующего, наполнителями, геометрией изделия, условием его эксплуатации и техническими требованиями к материалу.
Буслович Г.Я. представила метод изготовления отрезного абразивного инструмента на бакелитовой связке, который позволяет изготовить круги любой зернистости из всех известных абразивных материалов толщиной 0,18 мм и больше [1]. Особенностью этого технологического процесса является: применение в качестве связки высоковязкой фенолоальдегидной смолы (жидкий бакелит вязкостью 300 - 500 секунд); смешивание абразивной массы при температуре 80-85 С, замена прессования массы вальцеванием. Приготовление абразивной массы производится при постепенном нагревании и непрерывном перемешивании компонентов.
Москвина Л.Г. показывает, что при применении обычных увлажнителей (жидкого бакелита, фурфурола) в массе образуются комочки, которые не разрушаются при рыхлении на протирочных и рыхлительных машинах [2]. Применение в качестве увлажнителя циклогексонала уменьшает, но не устраняет образование комков. Для обеспечения равномерного распределения зерна и связки в круге, предлагается микропорошки смешивать с пульвербакелитом, а затем увлажнять дибутилфталатом. Прочность изделий в этом случае увеличивается, если зерно смочить раствором мочевины, а затем высушить и только после этого смешивать с пульвербакелитом.
Райт В.В. представил способы изготовления высокопористого абразивного инструмента на бакелитовой связке, заключающиеся в замене определенного количества шлифматериала в рецептуре равным по объему количеством порообразователя - гранул хлористого калия или карбамида [3]. Полученные результаты дали возможность рассчитывать рецептуру формовочных смесей при заданных значениях твердости и номера структуры, а также определять технологические параметры формования изделий (коэффициент прессования, удельное усилие прессования). Установлено, что с увеличением пористости круга силы резания, температура шлифования и величина прижога существенно снижаются, а режущая способность круга (максимальная интенсивность съема металла без прижогов) увеличивается до 2 - 3 раз. Установлено повышение технических показателей процесса торцешлифования: повышение производительности шлифования в 1,5 раза; полное устранение брака деталей по прижогам; повышение стойкости инструмента на 30 - 40% по сравнению с кругами обычных (не высокопористых) структур.
Структурно-механическая модель отрезного круга на бакелитовом связующем
Проведенный анализ отечественных и зарубежных исследований в области создания и эксплуатации инструмента на бакелитовой связке показал, что совершенствование характеристик данного инструмента сопряжено со значительным количеством экспериментальных исследований, в ходе которых путем подбора определенного соотношения количества, состава, качества компонентов: абразивного материала, наполнителя, связующего, назначения тех или иных технологических приемов: смешения, термообработки - достигается поставленная цель. Очевидно, что в этих условиях достижения требуемого результата обусловлено отсутствием соотношением параметров обработки и характеристик круга. На наш взгляд, данная неопределенность может быть ликвидирована путем создания структурно-механической модели абразивного круга на бакелитовой связке, учитывающей соотношение и взаимовлияние параметров отрезки и характеристик инструмента. Решение задачи в данной трактовке предусматривает следующую последовательность действий: разработка расчетной схемы функционирования абразивного круга при разрезании металла, установление связей свойств материала заготовки, структурно-механических характеристик абразивного композита, кинематики и динамики контактного взаимодействия пары «круг - деталь». Рассмотрим абразивный отрезной круг как диск с отверстием радиусом г, наружным радиусом R (рис. 2.1). ст , аву - нормальные напряжения от радиального составляющего силы резания; ар2, а02 - нормальные напряжения от отрезной силы резания. Тогда примерное напряжение в отрезном круге определится из уравнения:
Анализ зависимости (2.3) показывает, что суммарное напряжение, возникающее в круге при его работе, зависит от силовых кинематических параметров взаимодействия пары «круг - деталь» и характеристики самого круга - коэффициента Пуассона. По данным Греновского Г.Н. [73] бакелитовая связка, охватывая зерна электрокорунда, образует композит, прочность которого превосходит прочность самой связки. Как показывает анализ многочисленных работ, посвященных установлению связи прочности инструмента с его стойкостью, существует прямая зависимость между этими показателями. Максимальное напряжение, возникающее при вращении круга с отверстием, рассчитывается по формуле [63]: Из уравнения (2.4) следует, что максимальное значение тангенциального напряжения во вращающемся отрезном круге достигается при увеличении его плотности, коэффициента Пуассона и соотношения r/R. Коэффициент Пуассона связан с модулем сдвига, объёмной упругости, Юнга зависимостями: где G - модуль сдвига; Все модули упругости определяют жесткость материала, т.е интенсивность увеличения напряжения по мере роста упругой деформации. Абразивный инструмент на бакелитовой связке представляет собой композит, состоящий из абразивного зерна, связки - бакелита и пор. Наполнитель - абразивное зерно - существенно влияет на энергию разрушения материала круга. По Ф. Лэнгу [74], дисперсия частиц большего диаметра более эффективно влияет на увеличение энергии разрушения, чем дисперсия частиц малого диаметра. В полимерных системах максимальная энергия разрушения зависит от объемного содержания дисперсной фазы. Увеличение энергии разрушения в поликристаллических материалах достигается увеличением соотношения размеров частиц материала и дисперсной фазы. Модуль упругости абразивного инструмента на бакелитовой связке, определяется из зависимости: Известно, что производительность процесса отрезки абразивным кругом предопределяется соотношением скорости резания и величины усилия прижима инструмента. С ростом скорости резания и составляющей силы резания Ру происходит увеличение съема металла. Согласно (2.3) суммарное напряжение в отрезном круге пропорционально значению силы Ру, а с учетом (2.4) и центробежным напряжениям а9, и усилиям резания ар. Одновременно следует заметить, что указанные параметры зависят от характеристики материала круга - коэффициента
Пуассона, являющегося функцией структурно-механических показателей: модуля упругости матрицы (связки), объемного содержания пор и абразивных частиц, соотношения модулей упругости абразива и материала связки. Условие максимальной производительности отрезного круга описывается уравнениями: Коэффициенты К0, п, а определяются из экспериментальной зависимости lga - lg(l/af), при испытаниях на сжатие образцов - кубиков. Используя зависимость (2.11), представляется возможным на стадии разработки рецептуры бакелитового круга для заданного предельного значения прочности на сжатие, исходя из прогнозируемого значения силы Ру, определить пористость П при заданной зернистости абразива. На основании проведенных теоретических исследований предложена следующая схема разработки рецептуры бакелитового круга для заданных показателей: скорости вращения круга и величины максимальной подачи. Уравнения (2.9) и (2.10), при требуемых Уцтах) и РУ(тах) находят значения v. Пористость инструмента рассчитываем по зависимости (2.11). Воспользовавшись уравнением (2.8), определяем структурные показатели композита, которые служат контрольными значениями при разработке технологии производства бакелитовых кругов с прогнозируемыми показателями. Для производства отрезных кругов на бакелитовой связке использовалось связующее фенольное порошкообразное марки СФП-ОПА, СФП-012А (ТУ 6-05751768-35-94). Связующее характеризуется следующими показателями (согласно ТУ): В качестве увлажнителя применяли жидкий бакелит марки БЖ-3. Исследовалось влияние различных показателей фенольных смол на физико-механические и эксплуатационные показатели отрезных кругов, в частности: - количественного содержания уротропина в связующем СФП на физико-механические и эксплуатационные показатели отрезных кругов; - вязкости жидкого бакелита марки БЖ-3 на механическую прочность отрезных кругов.
Влияние процентного содержания уротропина в связующем на эксплуатационные показатели отрезных кругов
Для выявления влияние процентного содержания уротропина в связующем на эксплуатационные показатели были изготовлены отрезные круги 300x3x32 14А63СТ 80 м/с. Круги были изготовлены по следующей рецептуре: Испытания проходили по программе - методике испытаний кругов отрезных на бакелитовой и вулканитовой связках ПМ - 34647617 - 005 - 97 Испытательного центра абразивов и шлифования ВИСТеха. Операция разрезка прутков различных диаметров q = S,/S2 где, Si - площадь разрезанного металла, см2; S2 - площадь израсходованного круга, см2; Стойкость определяется методом подсчёта количества деталей обработанных кругом до его полного износа (в случае операции отрезки количество деталей равно количеству резов). Для проведения испытаний использовалось по 3 круга с одинаковым содержанием уротропина. Данные по эксплуатационным показателям приведены в табл. 3.9. Как видно изданных табл.3.9, и рис 3.8., 3.9. повышение содержания уротропина в связующем с 6 до 10 % приводит к увеличению стойкости и удельной производительности абразивного инструмента. Вязкость - свойство жидких и газообразных тел оказывать сопротивление их течению-перемещению одного слоя тела относительно другого под действием внешних сил. Вязкость жидкости обусловлена внутримолекулярным состоянием, благодаря которому в жидкости возникают силы трения. Вязкость обратна текучести (подвижности), определяется тепловым движением, размерами и формой молекул, их взаиморасположением («упаковкой») и действием молекулярных сил.
Вязкость определяется как коэффициент пропорциональности г) (коэффициент вязкости) в выражении, связывающем силу F, приложенную к единице площади S сдвига, с градиентом скорости ди/ду молекулярного течения жидкости, т.е. такого течения, при котором слои жидкости движутся относительно друг друга без перемещения [101]: В соответствии с тем, что вязкость жидкости в основном определяется плотностью упаковки молекул и молекулярными силами сцепления, вязкость жидкости убывает с ростом температуры и повышается с ростом давления. Механическая прочность - сопротивление материала к разрушению. Всякий процесс деформации при повышении напряжения (или при длительном действии постоянного напряжения) заканчивается разрушением материала. Если это разрушение рассматривать как одновременный разрыв связей между всеми атомами, расположенными по обе стороны площадки в 1 см, выбранной перпендикулярно растягивающей силе, то величина прочности материала может быть теоретически оценена и оказывается равной 103 - 104 кг/мм2. Однако на практике прочность материалов превосходит 100 - 200 кг/мм2. Такое расхождение теории с опытом определяется наличием в твердом теле различных дефектов структуры и, прежде всего, микротрещин. Трещины могут возникать в твердом теле, как в процессе его образования, так и в процессе пластического деформирования [58]. Эксперименты проводились на опытных образцах (восьмерках). Восьмерки изготавливались методом прессования в две стадии по рецептуре технологии производства отрезных кругов. 70 С в течении 5 часов.
После сушки образцы помещались в эксикатор до следующего дня. Горячее прессование проводили на гидравлическом прессе при температуре 170 С в течении 20 минут, сброс газов через 5 минут; бакелизацию - в электоропечи «Simens» при температуре 170 С в течении 10 часов. После бакелизации определяли механическую прочность опытных восьмерок на разрыв на разрывной машине МР-0,5-1. Результаты опытов занесены в табл. 3.13. - механическая прочность опытных образцов с вязкостью от 1656,5 до 4277,1 мПа-с находятся в пределах от 172,5 до 151,1 кгс/см ; - механическая прочность опытных образцов с увеличением вязкости жидкого бакелита от 1656,5 до 3600 мПа-с уменьшается от 172,5 до 157,3 кгс/см ; - при значениях вязкости, превышающих верхний предел вязкости по ГОСТ 4569 на жидкий бакелит марки БЖ-3, получены самые минимальные показатели по механической прочности, оптимальное значение вязкости находится в интервале 1656 - 3330 мПа-с.
Вывод: для получение отрезных кругов с максимальной механической прочностью, удельной производительностью и стойкостью оптимальным значением содержания уротропина считать 6 - 10 процентов при вязкости жидкого бакелита 1656 - 3330 мПа-с. Технологический процесс изготовления абразивного инструмента на бакелитовой связке представляет собой ряд последовательных операций: смешивание, формование, бакелизация. Вопрос получения качественных формовочных смесей весьма актуален для абразивного производства, в особенности при производстве высокоскоростных отрезных кругов, т.к. это позволяет добиться высокой прочности инструмента, эксплуатационных показателей, а так же указанные массы легко и регулярно распределяются в форме, в том числе и при автоматизированных и механизированных процессах. Также большие возможности в значительной мере представляет изготовление абразивного инструмента из свободно-текучих формовочных смесей, полученных методом двухстадийного смешивания. Получаемые до настоящего времени методом одностадийного смешивания формовочные смеси имеют также технологические недостатки, как быстрая слеживаемостъ и наличие «свободного» пульвербакелита (2 % и более). Быстрая слеживаемость формовочной смеси исключает автоматическое дозирование ее и разравнивание в прессформе. Наличие свободного связующего отрицательно влияет на качество отрезных и шлифовальных кругов: увеличивает неуравновешенную массу и неравномерность в одном круге. Операция смешивания - это основополагающая технологическая операция, в которой закладываются качественные показатели инструмента: получение заданной твердости, однородности твердости, неуравновешенности, механической прочности.
Исследование эксплуатационных показателей экспериментальных отрезных кругов
Вопрос получения качественных формовочных смесей весьма актуален для абразивного производства, в особенности при производстве высокоскоростных отрезных кругов, т.к. это позволяет добиться высокой прочности инструмента, эксплуатационных показателей, а так же указанные массы легко и равномерно распределяются в форме, в том числе и при автоматизированных и механизированных процессах.
Такие возможности в значительной мере предоставляет изготовление абразивного инструмента из свободно-текучих формовочных смесей, полученных методом двухстадийного смешивания.
Получаемые до настоящего времени методом одностадийного смешивания формовочные смеси имеют такие технологические недостатки, как быстрая слеживаемость и наличие свободного пульвербакелита (2 % и более по макс). Быстрая слеживаемость формовочной смеси исключает автоматическое дозирование ее и разравнивание в прессформе. Наличие свободного связующего отрицательно влияет на качество отрезных и шлифовальных кругов: Увеличивает неуравновешенную массу и неравномерность твердости в одном круге.
Способ получения свободно-текучей формовочной смеси, которая отличается тем, что он состоит из отдельных гранул, представляющих собой зерно, покрытое жидким бакелитом с частично растворившемся в нем связующим фенольным порошкообразным и различных наполнителей. Такая смесь имеет хорошую сыпучесть, не слеживается. Разработана методика и определен критерий определения сыпучести и т.к. формовочная смесь уже прошла стадию старения, она содержит значительно меньше свободного связующего (до 1 % по макс). Предложенная технология предполагает одновременное использование двух смесительных машин: смесительная машина № 1 - для увлажнения шлифматериала жидким бакелитом, смесительная машина № 2 - для смешивания сухих компонентов связки (связующее фенольное порошкообразным и наполнители, кроме пирита, который увлажняется вместе со шлифматериалом в смесительной машине № 1). Это первая стадия смешивания. На второй стадии смешивания увлажненный шлифматериал небольшими порциями помещают в смесь сухих компонентов связки во вращающуюся смесительную машину № 2, где происходит смешивание формовочной смеси.
Время увлажнения шлифматериала - 5 минут, время смешивания сухих компонентов связки - 2 минуты (одновременно с увлажнением шлифматериала), время смешивания формовочной смеси - 10 минут, считая с момента погружения первой порции увлажненного шлифматериала. Загрузка увлажненного шлифматериала производится в течение 2-3 минут.
Смешанная таким образом формовочная смесь не должна содержать свободного связующего более 1 % по массе. Далее она проходит так называемую стадию «старения». Для этого смесь рассыпают на металлических поддонах слоем 5-8 см. и оставляют для «старения» на 2-8 часов. Это так называемое естественное «старение». Можно проводить и искусственное «старение» на виброгрануляторе или другой машине, где формовочная смесь будет находиться в постоянном движении и при хорошем обдувании воздухом.
Искусственное «старение» формовочной смеси происходит значительно быстрее. При естественном «старении» на поддонах в течение времени «старения» формовочную смесь надо периодически перемешивать. В процессе «старения» формовочной смеси происходит частичная потеря летучих веществ жидким бакелитом, высыхание и затвердевание гранул формовочной смеси. По истечении времени «старения» формовочную смесь дробят и просеивают на вибросите с сеткой 2-0,50 ГОСТ 3826-82, после чего она приобретает свойства свободно-текучей.
Свободно-текучую формовочную смесь можно хранить в плотно закрытой таре слоем 30 - 40 см в течении 24 - 72 часов, ее удобно использовать на автоматизированных линиях и прессах, так как она имеет хорошую сыпучесть и не слеживается.
Двухстадийный метод получения свободно-текучих формовочных смесей предлагается, как наиболее удобный и экономичный при наличии механизации, приводящей к экономии рабочего времени по сравнению с одностадийным. Но было замечено, что двухстадийное смешивание повышает качество гранул формовочной смеси. Так при рассмотрении под микроскопом гранулы формовочной смеси, полученной двухстадийным методом, более правильной округлой формы с хорошо впитавшимися в жидкий бакелит частичками порошкообразных компонентов. В гранулах же формовочной смеси, полученных одностадийным методом порошкообразные компоненты неоднородно и только к поверхности.
Двухстадийный метод получения формовочных смесей дает возможность получить формовочные смеси с большим содержанием наполнителей.
Отрезные круги, полученные из свободно-текучих формовочных смесей, дали более высокий коэффициент шлифования, чем из обычных формовочных смесей.
