Содержание к диссертации
Введение
1. Современное представление о структурно- механических характеристиках абразивного инструмента, цели и задачи исследования 9
1.1. Современное представление о структурно-механических характеристиках абразивного инструмента 9
1.2. Цели и задачи исследования 41
2. Исследование структурно-механических характеристик абразивного инструмента 42
2.1. Обоснование энергетического подхода определения твердости абразивного инструмента 42
2.2. Определение твердости абразивного инструмента 56
2.3. Экспериментальное исследование 73
2.4. Анализ экспериментальных данных 82
3. Исследование влияния структурно-механических характеристик на износостойкость абразивного инструмента 87
4. Исследование влияния структурно-механических характеристик на эксплуатационные показатели абразивного инструмента 94
5. Выводы 105
6. Список использованной литературы 106
- Цели и задачи исследования
- Определение твердости абразивного инструмента
- Анализ экспериментальных данных
- Исследование влияния структурно-механических характеристик на эксплуатационные показатели абразивного инструмента
Введение к работе
Современный уровень развития машиностроительной, станкостроительной, подшипниковой отраслей промышленности предопределяется качеством выпускаемой продукции. Технический прогресс характеризуется быстро возрастающими требованиями к точности размеров и геометрической формы деталей и качеству их поверхности. В металлообрабатывающих отраслях промышленности все более весомый удельный вес приобретает алмазно-абразивная обработка деталей. При обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов применение алмазного и абразивного инструмента зачастую является единственно возможным. Сейчас объем алмазно-абразивной обработки составляет более 25 % всей металлообработки, а в подшипниковой промышленности свыше 70 %. Окончательная (финишная) обработка деталей, определяющая состояние несущего основные нагрузки при эксплуатации поверхностного слоя детали, в основном ведется алмазным или абразивным инструментами. В этих условиях возрастает перспективность и значимость абразивной обработки как основного и наиболее экономичного способа получения высокоточных деталей. Повышение эффективности и качества абразивной обработки в силу этих причин является в настоящее время актуальной научной проблемой, имеющей важное прикладное значение.
Решение этой проблемы неразрывно связано с дальнейшим исследованием физико-механических характеристик абразивного инструмента на керамическом связующем, так как этот вид инструмента является наиболее распространенным на операциях абразивной обработки.
Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых показано, что функциональные свойства абразивного инструмента определяются его характеристиками - зернистостью, пористостью, твердостью и прочностью. Эти свойства определяют область применения данного инструмента, лежат в основе выбора режимов шлифования.
В настоящее время накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, на базе которого предприняты попытки формирования научных основ технологии обработки абразивными инструментами, включая разработку различных моделей управления процессами шлифования, формирования качества поверхностного слоя детали. Однако вопрос о влиянии структурно-механических параметров абразивного композита на свойства и эксплуатационные показатели инструмента остается открытым. Сегодня это является одной из причин отсутствия научно обоснованных технологических принципов управления качеством абразивного инструмента с регламентированными свойствами.
Представленные в настоящей работе результаты могут быть использованы при разработке технологий изготовления абразивного инструмента с регламентированными функциональными свойствами, обеспечивающими заданные показатели процесса шлифования.
На основании изложенного на защиту выносятся:
- результаты теоретико-экспериментальных исследований по установ
лению количественных показателей процесса разрушения абразивного инст
румента на керамической связке;
-методика определения твердости абразивного инструмента;
-результаты исследования механизма разрушения абразивного композита и методика определения прочностных характеристик абразивного инструмента;
- технологические принципы изготовления абразивного инструмента с
регламентированными свойствами в соответствии с установленными зависи
мостями результатов испытаний пескоструйным методом и прочности удер
жания абразивного зерна связкой.
Цели и задачи исследования
Целью настоящей работы является разработка научных принципов повышения эффективности процесса шлифования за счет применения абразивного инструмента с регламентированными структурно-механическими и эксплуатационными показателями.
Достижение поставленной цели диктует необходимость решения следующих задач.1. Разработка феноменологической модели процесса разрушенияабразивного инструмента с установлением количественных показателей - прочности удержания абразивного зерна связкой порезультатам испытания кругов на твердость пескоструйнымметодом.. 2. Определение эксплуатационных показателей шлифовальныхкругов в соответствии с установленными зависимостями в результате испытаний пескоструйным методом на прочность удержания абразивного зерна связкой.3. Установление математических зависимостей износостойкости абразивного инструмента от структурно-механических характеристик.4. Проведение лабораторных и промышленных испытаний. Разработка рабочих рекомендаций.
Термин «твердость абразивного инструмента» не определяется конкретной физической величиной. Говоря о твердости, подразумевают величину, зависящую не только от характеристик испытуемого материала, но так же от метода и условий ее определения. Измеренные различными методами и в различных условиях твердости представляют собой величины существенно различные и часто даже не сравнимые.
По физическим принципам, лежащим в их основе, методы определения твердости делятся на семь основных групп [22].1. Твердость определяется измерением способности одного тела царапаться другим, более твердым телом или царапать более мягкое; сюда относятся методы измерения твердости на царапание по Моосу, Марте нсу и другие методы царапания. Результаты измерения твердости такими методами существенно зависят от предела прочности вещества и от гладкости его поверхности. Если же проводятся измерения под большими вертикальными нагрузками (несколько килограммов), то их результат сильнее зависит от пластических свойств изучаемого вещества и обычно бывает сравним (по крайней мере, для металлов) с результатами измерения твердости на вдавливание. Состояние поверхности в этом случае оказывает йенТнервдишвниевердого тела измеряется методами шлифования, резания или сверления в определенных условиях. Эта группа методов определяет твердость по обрабатываемости тела в тех или иных условиях. В технике хорошо известно, от каких разнообразных факторов зависит обрабатываемость. К этой же группе методов относятся, так называемые, абразивные методы измерения твердости, впервые разработанные. 3. Твердость определяется при вдавливании в него наконечника, сделанно го из того же самого или другого стандартного материала. Твердость, измеренная этими методами, по-видимому, в основном зависит от пластичности вещества. К этим методам относятся важнейшие для техники методы измерения: твердости с помощью квадратной алмазной пирамиды; и по Бринелю. При этом вдавливание может производиться статически, и тогда упругие свойства изучаемого вещества играют сравнительно небольшую роль в ходе испытаний. Возможно также проводить вдавливание динамически - с помощью копра или какого-либо другого прибора (например с помощью прибора Николаева). В этом случае, кроме пластических свойств вещества, существенную роль играют и его упругие свойства.4. Твердость определяется измерением упругой деформации тела при воздействии на него того же самого или другого стандартного тела. Результаты измерения твердости методами этого рода в основном связаны с упругими свойствами вещества. К этой группе относятся методы Герца, Ауэрбаха и т. д.5. Твердость измеряется суммой упругой и пластической деформации тела при вдавливании в него некоторого стандартного тела. К этим методам относятся методы Мартенса — Гейна и ряд других.6. Твердость измеряется высотой, на которую отскакивает стандартный боек при падении с определенной высоты на поверхность тела. Результаты измерения твердости методами этого типа, по-видимому, связаны с упругими и пластическими свойствами изучаемого вещества.7. К этой группе методов определения твердости относятся методы, основанные на изучении изменений колебаний маятника того или иного типа по поверхности испытуемого тела, возникших вследствие взаимодействия опоры маятника с исследуемой поверхностью. Сюда относятся методы Кузнецова, Ребиндера, Герберта и ряд других.
Каждый из указанных здесь методов допускает целый ряд видоизменений, на которых основаны различные применяемые в науке и технике кон кретные методы измерения, причем результаты, получаемые по различным методам, даже принадлежащим к одной и той же группе, могут заметно отличаться друг от друга. Для методов, относящихся к различным группам, это различие иногда бывает настолько велико, что меняется даже последовательность тел, расположенных по их возрастающей или убывающей твердости.
Следует так же подчеркнуть, что каждая физическая величина измеряется определенными единицами, и ее размерность может быть выражена с помощью той или иной комбинации некоторых основных величин. Эти величины в разных системах единиц разные, но всегда в каждой системе есть несколько таких основных величин, с помощью комбинации которых выражается размерность каждой другой производной физической величины. Твердости, измеряемые различными методами, имеют различные размерности.
Например, твердость, измеренную методами Бринеля и по вдавливанию алмазной квадратной пирамиды, обычно выражают в Н/м . Но она же может иметь размерность Н/м3, если твердость определять как нагрузку, отнесенную к объему лунки. В маятниковом методе твердость - или отвлеченное число (в методах Альфа и Роквелла), или имеет размерность времени, или скорости, или длины.
Таким образом, для твердости нельзя установить ни единиц измерения, ни размерности, и этим еще раз подчеркивается то обстоятельство, что твердость не есть физическая постоянная.
Часто при определении твердости вещества сравнивают полученные значения с твердостями эталонных веществ Мооса.В табл. 2.1 приведены сравнительные значения твердостей эталонных веществ минералогической шкалы Мооса при испытаниях различными методами. Анализ данных показывает, что значения твердостей этих веществ изменяются не вполне параллельно, друг другу, хотя все вещества представляют собою хрупкие и анизотропные тела, т.е. тела со
Определение твердости абразивного инструмента
Рельеф рабочей поверхности круга определяется рядом параметров, среди которых, как правило, выделяют: закон распределения режущих кромок по высоте профиля и их количество на единице поверхности круга, геометрию режущих кромок (углы заострения, радиус закругления вершин и т. д.). К важнейшим характеристикам состояния рабочей поверхности абразивного инструмента [23, 36, 42, 49 и др.] относят еще и прочность удержания зерен связкой.
Рассмотрим абразивный инструмент как композит, состоящий из матрицы (связующего), в которой случайным образом распределены зерна и лоры. Матрица в виде мостиков связки удерживает абразивные зерна и имеет структуру с дефектами. При шлифовании система абразивных зерен внедряется в обрабатываемую поверхность заготовки, в результате такого взаимодействия из-за неравномерности выступания зерен над связкой в различных микрообъемах рабочей поверхности инструмента возникают переменные напряжения, а на зерна действует широкий спектр нагрузок, под действием которых происходит разрушение матрицы или абразивного зерна. Соотношение между разрушениями матрицы и зерна определяется как динамикой процесса шлифования, так и структурно-механическими характеристиками связки и абразивного зер tf
Прочность закрепления зерна можно характеризовать величиной критической силы Ру» необходимой для его вырывания из поверхностного слоя абразивного инструмента. Предел рассеяния значений прочности закрепления отдельного зерна Ркрі характеризуется неоднородностью структуры круга; центром рассеяния является некоторая средняя величина Р , свойственная большинству абразивных зерен на рабочей поверхности круга.
Однако при ближайшем рассмотрении нахождение Р оказывается затруднительным прежде всего потому, что ее величина зависит от большого числа факторов, таких как: - соотношение зерна, связки и пор в круге; - пределы прочности материала связки на изгиб и сжатие; - размер зерна Rf, - количество зерен N3 на единицу площади рабочей поверхности; # - число мостиков связки, приходящееся на одно зерно (зависит от плотности и типа упаковки зерен в матрице); - объемная доля открытых пор 77; - величина выступания зерна над уровнем связки в рабочем слое (постоянно меняющаяся величина в процессе работы круга в режиме самозатачивания) и др. Кроме того, расположение зерен и пор в объеме определяется еще и объемной неоднородностью структуры матрицы, вызванной условиями изготовления абразивного круга. По данным [108] динамическая сила удержания зерна где ТС) - динамический коэффициент; Рст - статическая сила удержания зерна. Измерения силы удержания зерна связкой при царапании вращающихся кругов алмазной пирамидкой показывают, что с ростом размера зерна силы удержания возрастают в результате увеличения поверхности соприкосновения зерен со связкой и количества мостиков связки (табл. 2.5). Испытания проводились с переменной частотой вращения шпинделя. С повышением скорости вращения в интервале от 0,2 до 20 м/с сила удержания абразивных зерен связкой уменьшается в 1,8-2,5 раза [108].
Для дальнейших рассуждений примем следующие допущения: - форма зерна - шар; - зерна скреплены между собой мостиками связки, имеющими определенные размеры в местах контакта зерен; - материал спеченной связки является хрупким, его прочность имеет статистическую природу и зависит от однородности материала связки, ее нагруженного объема; - вектор результирующей силы Рр, действующей на зерно, проходит через центр его симметрии. Очевидно, величина Ркр зависит от тех же факторов, что и предел прочности на разрыв композита Р}, и определяется свойствами матрицы. В общем виде предел прочности на разрыв композита Р\ можно определить по следующей зависимости: где Рср - среднее разрушающее напряжение в сечении мостиков связки; Np - число разрушаемых мостиков связки; F— площадь разрушаемых мостиков связки. Значение PQp зависит от сопротивления разрушению материала связки Р0 и коэффициента напряжений в мостиках связки Кр Количество абразивных зерен на единице площади сечения разрыва определяется по формуле [62]: Для абразивного инструмента на керамическом связующем с пористостью 0,2 П 0,5 можно с достаточной точностью пользоваться следующей зависимостью определения среднего числа разрушаемых мостиков связки, приходящихся на одно зерно где NK — координационное число, определяющее количество контактов зерен через мостики связки. Исследования [46, 47] по определению числа контактов абразивных зерен в заформованных образцах с различной структурой (6, 8, 10, 12) позволили установить, что где 773 - объемное содержание зерна, зависящее от номера структуры образца. Координационное число NK мостиков связки для зерен в поверхностном слое абразивного инструмента составит Следует отметить, что с увеличением номера структуры инструмента уменьшается число контактов между зернами. Полученные результаты хорошо согласуются с данными работ [20,47, 48, 100]. Площадь сечения связки в зоне разрушения мостиков в первом приближении можно определить по следующему выражению [44]: где а - средний угол ориентации мостиков связки к нормали на плоскость разрушения, а ср = 3 0 .
Анализ экспериментальных данных
Результаты экспериментального исследования по определению величины Луд приведены на рис. 2.3. Анализ полученных данных показывает, что для кругов из одного и того же зерна на одной и той же связке наблюдается четкая зависимость между параметрами твердости (глубина лунки, характеризующая степень твердости) и величиной Avd работы разрушения единицы объема композита.
Различные материалы для одной той же степени твердости могут давать различные значения величины Луд. Это объясняется тем, что степень твердости определяется в зависимости от глубины лунки, т.е. не отражает ни реального объема разрушения поверхности инструмента, ни реальной величины совершенной работы.
С увеличением общего количества связки увеличивается количество мостиков связки, приходящееся на одно зерно как в матрице, так и на рабочей поверхности, а значит повышается величина работы, которую необходимо совершить для разрушения этих мостиков. Поскольку зернистость абразивных материалов одинакова для всех испытанных кругов, то числа зерен в единичном объеме при равных количествах связки для кругов из различных абразивных зерен и на разных связках будут иметь близкие значения. При одной и той же номинальной степени твердости для кругов из карбида кремния на разных связках значения удельной работы разрушения различны. Из табл. 2.9 и 2.10 видно, что при близких значениях глубины лунки, в пределах одной степени твердости, для кругов на связке К10 объем лунки меньше, чем у кругов на связке КЗЗ, что и объясняет различия в значениях Ауд.
В п.2.2. предполагалось, что поскольку в зоне контакта зерна электрокорунда со связкой отмечаются заметные химические взаимодействия, то такие инструменты должны быть более твердыми по сравнению с карбидок-ремниевыми инструментами. Действительно, эксперимент показал, что энергия удержания зерна электрокорунда несколько выше, чем зерна карбида кремния. При равной глубине лунки работа разрушения единичного объема матрицы больше у электрокорундового инструмента (рис. 2.4, 2.5).
На рис. 2.6 представлены фотографии слепков лунок абразивных кругов из карбида кремния на связке КЗЗ и электрокорунда на связке К5. Степень твердости кругов: СМ2. Удельные работы разрушения для этих кругов соответственно 8,9-10 Дж/м и 10,7-10 Дж/м . а).
Как видно из рис. 2.6 лунки инструмента из карбида кремния имеют больший объем при одинаковой глубине по сравнению с электрокорундовым инструментом, что и объясняет различия в величине Ауд для этих инструментов. Методом регрессионного анализа установлено, что зависимость объема разрушения, а значит и А , от глубины лунки (степени твердости) является параболической. Уравнение регрессии:Графически эта зависимость представлена на рис. 2.7.
Мерой тесноты связи между двумя статистически связанными признаками для криволинейной закономерности служит теоретическое корреляционное отношение, вычисляемое по формуле: где у - фактическое значение результативного признака; ух - его значения по уравнению регрессии; - общая средняя.
Значение теоретического корреляционного отношения, вычисленное по формуле (2.31) составляет 0,9996, что указывает на хорошее согласование уравнения регрессии (2.30) с данными эксперимента.
Очевидно, что величина работы Ам разрушения единичного мостика связки зависит от состава связки, характера контакта связки с абразивным зерном, а так же от распределения связки, зерна и пор в объеме матрицы. В свою очередь от величины Ам будет зависеть не только твердость, но и прочность абразивного композита.
Исследования поверхностей разрыва абразивного черепка и оценка прочности керамической связки приведены в работах [60, 75].
На основе экспериментальных исследований и расчетов авторы [60] приходят к выводу, что поверхности зерен и зоны контакта их со связкой имеют развитые зоны предразрушения, нарушение сплошности.
Как видно из рис. 3.1 линия разрыва на шлифе образца проходит через наиболее слабые места: поры и зоны контакта зерна со связкой, трещина разрушения стремится обойти абразивные зерна как наиболее прочный элемент образца [30, 54].
В работе [75] установлено, что на линии разрыва оказалось 9 % разрушенных зерен из 48 % их общего количества, 8 % связки из 9 %, из которых 7,7 % случаев приходилось на поверхность разрыва зоны контакта зерна со связкой. Главной причиной разрыва зерен авторы считают наличие сети микротрещин. Разрыв по поверхности контакта зерна со связкой объясняется недостаточной прочностью. Разрывная трещина, в основном, стремится пройти по участкам черепка, примыкающим к скоплениям пор, особенно к наиболее крупным, которые, по мнению автором, не только ослабляют сечение образца, но и вызывают концентрацию напряжений.
Рассмотрим, как механические свойства композитов влияют на их износостойкость.В работах [13, 45, 84, 94, 9Z] исследовалось влияние состава связки, количества связки на механическую прочность образцов-восьмерок, износ
Исследование влияния структурно-механических характеристик на эксплуатационные показатели абразивного инструмента
В работе [31] были разработаны нормативные эксплуатационные показатели шлифовальных кругов для коэффициента шлифования К , и шероховатости шлифованной поверхности Ra. В работе был использован обширный опытно-статистический материал. Рассматривались круги из различных материалов, разной зернистости и различной степени твердости. Эксплуатационные показатели шлифовальных кругов из электрокорунда определялись при обработке образцов из стали 45 закаленной (НЯСэ 48-52). Эксплуатационные показатели шлифовальных кругов из карбида кремния определялись при обработке образцов из чугуна марки СЧ 15 (НВ 180-200).
Режимы шлифования:- скорость круга 35 м/с;- скорость детали 35 м/мин;- скорость радиальной подачи 0,5...0,6 мм/мин для кругов из карбида кремния и 0,6...0,7 мм/мин для кругов из электрокорунда.- Шлифование велось с охлаждением.
Перед испытанием круги подвергались двойной статической балансировке на балансировочных приспособлениях и правке алмазно-металлическими карандашами.
Для измерения износа круга использовался индикатор часового типа с ценой деления 0,001 мм.
Для измерения размеров образца до и после обработки использовался микрометр с ценой деления 0,001 мм.
Коэффициент шлифования подсчитывался по формуле:где QM - режущая способность абразивного инструмента, подсчитывается как результат изменения объема шлифуемого образца за время опыта, мм /мии\Qa - расход абразивного инструмента, результат изменения объема инструмента за время опыта, мм3/мищ ум — плотность шлифуемого материала, г/см ; уа - плотность абразивного инструмента, г/см .
Исследованиями установлено, что зависимость коэффициента шлифования от твердости шлифовального круга (глубины лунки, измеренной на пескоструйном приборе) носит прямолинейный характер. Закономерность, аппроксимирующая опытную совокупность точек, описывается уравнением:где h - глубина лунки в мм, измеренная на пескоструйном приборе при давлении воздуха /М),15 МПа. В качестве нормативной величины для коэффициента шлифования принята нижняя граница доверительного интервала при коэффициенте надежности W=Q,95. Нижняя граница выражается формулой:
Шероховатость шлифованной поверхности несколько увеличивается при увеличении глубины лунки, измеренной на пескоструйном приборе, зависимость прямолинейна и выражается формулой:где h - глубина лунки в мм, измеренная на пескоструйном приборе при давлении воздуха Р=0,15 МПа. При определении нормативных величин эксплуатационных показателей для шероховатости шлифованной поверхности принята верхняя граница доверительного интервала зависимости при коэффициенте надежности #М),95. Математически верхняя граница доверительно интервала описывается уравнением:
Коэффициенты приведения для оценки эксплуатационных показателей представлены в табл. 4.1-4.2.Как видно из табл. 4.1-4.3 коэффициент шлифования возрастает с увеличением твердости абразивного инструмента. Для кругов из абразивного зерна марки 63С на связке КЗ зависимость коэффициента шлифования от
Как видно из рис. 4.3 и 4.4, с увеличением удельной работы разрушения абразивного инструмента шероховатость шлифованной поверхности уменьшается. Это можно объяснить с точки зрения процессов, происходящих в зоне микрорезания. У более твердых абразивных инструментов при прочих равных условиях обновление рабочей режущей поверхности происходит медленнее.
Вероятно, по этой причине у таких инструментов поверхность менее развита, т.е. зерна более равномерно выступают над средним профилем рабочей поверхности.
На рис. 4.5 представлены две кривые 1 и 2, отображающие характер нарастания числа зерен по глубине поверхностного слоя для двух зернисто-стей, характеризуемых средними эквивалентными размерами зерен d0i и dn2- причем d02 doi- При одной концентрации кривая 2 будет расположена правее кривой /, так как для одной глубины частиц с размерами d0i в слое больше, чем частиц с размерами do2 [6].
В реальном шлифовальном круге поверхностный слой разбивается на две основные зоны. Зона / связана с областью воздействия сил шлифования, обрабатываемого материала и стружки, среды (СОЖ и шлама) на вершины зерен, в результате чего положение вершин зерен непрерывно изменяется в процессе шлифования.
Для кривой 1 показано явление притупления (отрезок Ob) при шлифовании наиболее выступающих зерен до одного уровня, а число вершин зерен определяется положением линии Obkjgid} состоящей из пересечения в точке к} двух параболических кривых, характеризуемых разными уравнениями, не проходящими через начало координат и отражающими пространственный сдвиг вершин зерен, подвергнутых силовому и температурному воздействию у - aix2 + b;x + с} (кривая /) и у = a jx2 + b jx + c s (кривая 3). Кривая 2 отображает случай, когда вершины зерен не подвергались этому воздействию, {у2=02 2), поэтому она проходит через начало координат, а ее положение соответствует расчетам, произведенным по уравнениям статической модели. Рис. 4.5 Схема распределения выступающих над связкой вершин зерен абразивных инструментов [7].
Точки к; и кг соответствуют глубине слоя до верхних точек поверхности связки. Таким образом, до этого уровня ни одна вершина зерна не закрывается материалом связки. Колебание уровня связки происходит на величину ксвь и Ьсв2 и образует еще одну зону поверхностного слоя — зону III, в которой происходит постепенное и все увеличивающееся закрывание связкой вершин зерен, лежащих в более глубоких слоях. В результате такого закрывания видимое количество вершин будет характеризоваться частью кривой / {Obkfgfi) и частью кривой 2 (Окг/г). После точек// и /г видимых зерен на поверхности круга не будет.
Таким образом, уравнения кривых на участках ОЬк\ и Окг являются сложной функцией, отражающей влияние нескольких факторов:— распределения центров зерен;- дисперсии вершин зерен в связи с колебаниями наружных раз
