Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния исследуемой проблемы, цель и задачи исследования 9
1.1 Назначение, области применения и разновидности конструкций отрезных шлифовальных кругов 9
1.2 Характеристики отрезных шлифовальных кругов 12
1.3 Свойства компонентов абразивных отрезных кругов 16
1.3.1 Шлифовальные зёрна 16
1.3.2 Связующие и наполнители 24
1.3.3 Упрочняющие элементы 27
1.4 Технология производства абразивных отрезных кругов 29
1.5 Пути повышения эксплуатационных возможностей отрезных кругов. 31
1.6 Цель и задачи исследования '. 35
Глава 2. Влияние формы и ориентации зёрен на их геометрические параметры, физико-механические и режущие свойства 38
2.1 Методы оценки формы шлифовальных зёрен 38
2.2 Разделение шлифовальных зёрен по форме 40
2.3 Взаимосвязь формы зёрен с площадью их поверхности и количеством в единице объёма
2.4 Влияние формы и ориентации зёрен на их прочность 48
2.5 Износ зёрен с разной формой и ориентацией в теле инструмента 55
2.6 Выводы 64
Глава 3. Отрезные шлифовальные круги из зёрен с контролируемой формой и ориентацией 67
3.1 Отрезные круги с контролируемой формой зёрен 67
3.1.1 Сепарация зёрен по форме и приготовление формовочных смесей
3.1.2 Формование опытных отрезных кругов 70
3.1.3 Термообработка опытных отрезных кругов 73
3.2 Отрезные круги с контролируемой ориентацией зёрен 75
3.2.1 Анализ способов ориентации зёрен в.шлифовальных кругах 75
3.2.2 Предлагаемый способ ориентации зёрен и конструкции шлифовальных инструментов, изготавливаемых на его основе 78
3.2.3 Изготовление отрезных шлифовальных кругов с контролируемой ориентацией зёрен
3.3 Отрезные шлифовальные круги повышенной прочности 85
3.3.1 Анализ возможных путей повышения прочности отрезных шлифовальных кругов 85
3.3.2 Предлагаемый способ повышения прочности отрезных кругов на бакелитовой связке и его реализация. 88
3.4 Выводы 92
Глава 4. Влияние формы зёрен на прочность отрезных шлифовальных кругов 94
4.1 Анализ динамических методов оценки разрывной прочности шлифовальных кругов
4.2 Стенд для прочностных испытаний отрезных шлифовальных кругов динамическим методом 97
4.3 Статический способ оценки прочности шлифовальных кругов 100
4.4 Результаты оценки прочности отрезных кругов с контролируемой формой зёрен 107
4.5 Выводы 111
Глава 5. Исследование влияния формы зёрен на эксплуатационные показатели отрезных кругов 114
5.1 Методика, оборудование и материалы для проведения испытаний опытных отрезных шлифовальных кругов 114
5.1.1 Методика проведения испытаний и обработка опытных данных... 114
5.1.2 Оборудование и заготовки для проведения испытаний 117
5.2 Исследование эксплуатационных показателей отрезных шлифовальных кругов из зёрен с контролируемой формой 120
5.2.1 Определение рациональных режимов резания и режущей способности отрезных кругов из зёрен с контролируемой формой 121
5.2.2 Коэффициент шлифования и эффективная мощность резания отрезных кругов из зёрен с контролируемой формой 124
5.2.3 Температура при резании, микротвердость и микроструктура заготовок после отрезки кругами из зёрен с контролируемой формой 129
5.3 Исследование эксплуатационных показателей отрезных шлифовальных кругов повышенной прочности с контролируемой формой зёрен у посадочного отверстия 134
5.3.1 Определение рациональных режимов резания и режущей способности отрезных кругов повышенной прочности с контролируемой формой зёрен у посадочного отверстия 134
5.3.2 Коэффициент шлифования и эффективная мощность резания отрезных шлифовальных кругов повышенной прочности с контролируемой формой зёрен у посадочного отверстия
5.3.3 Температура при резании, микротвёрдость и микроструктура заготовок после отрезки кругами повышенной прочности 141
5.4 Выводы 146
Глава 6. Исследование эксплуатационных показателей отрезных кругов с контролируемой ориентацией зёрен . 150
6.1 Определение рациональных усилий прижатия и режущей способности отрезных кругов с контролируемой ориентацией зёрен 150
6.2 Коэффициент шлифования и эффективная мощность резания отрезных шлифовальных кругов с контролируемой ориентацией зёрен 155
6.3 Температура при резании, микротвёрдость и микроструктура заготовок после отрезки кругами с контролируемой ориентацией зёрен 160
6.4 Выводы 170
Общие выводы 173
Список литературы 178
Приложения 194
- Характеристики отрезных шлифовальных кругов
- Разделение шлифовальных зёрен по форме
- Сепарация зёрен по форме и приготовление формовочных смесей
- Стенд для прочностных испытаний отрезных шлифовальных кругов динамическим методом
Введение к работе
Актуальность работы. Анализ эффективности применения отрезных шлифовальных кругов показывает, что, несмотря на широкое распространение, они лишь частично используют свои потенциальные возможности. Одной из основных причин такого положения является неупорядоченность формы и ориентации абразивных зерен в теле данных инструментов. Произвольная форма и расположение зерен в теле кругов, как следствие, формируют произвольную и неблагоприятную геометрию их режущих микроклиньев. В результате большая часть зерен не участвует вообще либо принимает слабое участие в совокупном процессе микрорезания. Неупорядоченная форма и ориентация зерен формируют также дефекты структуры отрезных кругов и, как следствие, снижают их прочность и допустимую скорость работы. Подбор и упорядочение формы и ориентации шлифовальных зерен в отрезных кругах открывают перспективу повышения физико-механических и режущих свойств этих инструментов и, поэтому, являются актуальной проблемой. Актуальность работы подтверждается также тем, что на основе ее тематики выигран грант по федеральной программе «Старт-06» «Новое поколение шлифовальных инструментов на основе зерен с заданной ориентацией и контролируемой формой».
Цель диссертационной работы состоит в повышении эксплуатационных возможностей отрезных шлифовальных кругов на основе использования зерен с контролируемой формой и ориентацией.
Методики исследований. Работа выполнена на базе теории шлифования материалов, теории прочности хрупких тел, теории прочности вращающихся объектов, теории вибрационного сепарирования частиц, теории математического моделирования, статистической обработки и корреляционно-регрессионного анализа результатов испытаний. В работе использованы существующие и оригинальные методики количественной оценки формы зерен, определения режущей способности, износа, коэффициента шлифования, эффективной мощности и температуры при резании экспериментальными кругами, определения микротвердости и изучения микроструктуры металла заготовок из разных материалов после отрезки опытными кругами. Эксперименты проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современных измерительных приборов и оборудования, в том числе и на иностранной фирме по производству отрезных шлифовальных кругов. Обработка результатов испытаний осуществлялась с широким привлечением возможностей ЭВМ, на основе известного и специально разработанного программного обеспечения.
Научная новизна работы состоит в:
– разработке концепции создания новых конструкций отрезных шлифо-
вальных кругов из зерен с контролируемой формой и ориентацией;
– разработке нового способа изготовления отрезных кругов с контролируемой ориентацией зерен (заявка на патент РФ №200810586);
– разработке нового способа изготовления отрезных кругов повышенной прочности из зерен с контролируемой формой в зоне посадочного отверстия (заявка на патент РФ №2007129252);
– разработке нового статического способа испытания шлифовальных кругов на разрывную прочность (патент РФ №2292032);
– разработке нового метода оценки формы зерен в трехмерном пространстве;
– разработке методов и установлении взаимосвязи формы шлифовальных зерен с площадью их поверхности, количеством в единице объема инструмента; связи формы и ориентации зерен с особенностями их износа, стойкостью и прочностью;
– установлении влияния формы шлифовальных зерен на разрывную прочность отрезных шлифовальных кругов, состоящих целиком из зерен с контролируемой формой и зерен, расположенных вблизи посадочного отверстия;
– установлении влияния формы и ориентации зерен в отрезных шлифовальных кругах на их режущую способность, износ, коэффициент шлифования, мощность и температуру резания, а также на микротвердость и микроструктуру металла заготовок после отрезки;
– разработке математических моделей, отражающих влияние формы и ориентации зерен на эксплуатационные показатели отрезных кругов и качество обработки ими заготовок; моделей, позволяющих прогнозировать и целенаправленно изменять работоспособность отрезных кругов в зависимости от поставленных задач и требований к качеству обработки.
Практическая ценность работы заключается в:
– разработке модульной конструкции стенда для динамических испытаний отрезных кругов на разрывную прочность;
– разработке конструкции приспособления для статической оценки разрывной прочности отрезных кругов, позволяющей упростить и обезопасить такие испытания;
– разработке программного обеспечения для оценки: формы зерен в
трехмерном пространстве, взаимосвязи формы и площади поверхности зерен, износа зерен (соответственно, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ №2006613051, №2007612468 и №2008610817);
– изготовлении опытных партий отрезных шлифовальных кругов из зерен с контролируемой формой и ориентацией, подтвердивших свои повышенные эксплуатационные возможности по сравнению со стандартными отрезными кругами;
– разработке практических рекомендаций по эффективному применению отрезных шлифовальных кругов с контролируемой формой и ориентацией зерен.
Реализация результатов работы. Опытные отрезные шлифовальные круги внедрены на ООО «Завод электротехнической аппаратуры»
г. Кемерово, ООО «Сибирские промышленные технологии» г. Кемерово, авторемонтном производстве компании «Кузбассразрезуголь» г. Белово. Кроме того, разработки, выполненные по теме диссертации используются в учебном процессе для студентов машиностроительных специальностей ТПУ.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-практической конференции «Молодежь Поволжья – науке будущего» (г. Ульяновск, 2003 год), на IX-й, XI-й, XII-й и XIII-й международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.), на II-й, III-й, V-й Всероссийских научно-практических конференциях «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2004 г., 2005 г., 2007г.), на III-й международной научно-практической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Тюмень, 2005 г.), на 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск, 2006 г.), на I-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» (г. Кемерово, 2007 г.). Результаты работы обсуждались также на научных семинарах кафедры «Технология автоматизированного машиностроительного производства» ТПУ в период с 2003 по 2008 гг. Полное содержание работы доложено на научном семинаре факультета технологии и компьютеризации машиностроения ИрГТУ. Отдельные фрагменты работы были заслушаны, кроме того, на семинарах кафедры «Станкостроение» Технического университета г. Кемнитц (Германия) и техсовете фирмы по производству отрезных шлифовальных кругов «Rottluff» (Германия) при прохождении там трех научных стажировок по теме диссертации.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ (в том числе 5 – в журналах, входящих в перечень ВАК), получен патент РФ и три свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 287 страницах машинописного текста, содержит 117 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 172 наименований.
Характеристики отрезных шлифовальных кругов
Под понятием характеристики круга понимается перечень параметров, характеризующих тип, размеры, состав, внутреннее строение и допустимые условия эксплуатации этого инструмента. Характеристика круга отражается в его маркировке. Далее приведены примеры маркировок отрезных кругов согласно ГОСТ 21963-82, ГОСТ 21963-2002 и стандарта DIN 8539, которые отражают существующие разновидности характеристик этих инструментов. Здесь: 1 - Размеры круга: наружный диаметр D, высота круга Н, диаметр посадочного отверстия d (мм). 2 - Марка абразивного материала шлифовальных зёрен. Для абразивных отрезных кругов чаще всего используют: нормальный электрокорунд марок 13А, 14А, 15А; белый электрокорунд марок 24А, 25А; хромотитанистый электрокорунд марок 91А - 94А; карбид кремния чёрный марок 53С, 54С, 55С. Кроме того, по заказу потребителя, допускается использовать шлифовальные зёрна карбида кремния зелёного (62С-64С) и смеси из зёрен нормального (13А-15А) и белого (24А-25А) электрокорундов. 3 - Номер зернистости шлифовальных зёрен. Номер зернистости, умноженный на 10, представляет собой величину среднего номинального размера зёрен в микрометрах. Для кругов на бакелитовой связке номера зернистости изменяются в пределах 5 -160, а на вулканитовой — 6- -50. 4 — Индекс зернистости (разброс по зернистости). Этот параметр показывает процентное содержание зёрен основной фракции в общей массе зёрен данной зернистости и обозначается буквами: В, П, Н, Д, где: В - высокое содержание (55-60 %) основной фракции; П - повышенное содержание (50-55 %); Н -нормальное содержание (40-45 %); Д - допустимое содержание (36-42 %). 5 — Твёрдость круга. Под твёрдостью понимается прочность удержания зёрен в связке круга, выраженная в условных единицах. Круги на бакелитовой связке изготавливаются следующих степеней твёрдости: СМ2, С1, С2, СТ1, СТ2, СТЗ, ТІ, Т2, ВТ1, ВТ2, а круги на вулканитовой связке - СТ и Т. 6 — Условный индекс, характеризующий степень твёрдости, измеренной на приборе типа «Звук» (аналог твёрдости, обозначаемой буквами). 7 — Тип связки. Для абразивных отрезных кругов используют два типа связки — бакелитовую (Б) и вулканитовую (В). 8 - Наличие упрочняющих элементов. В качестве упрочняющих элементов в отрезных кругах, как правило, применяют армирующие стеклосетки и металлическое кольцо (калибровочную втулку), устанавливаемую в посадочное отверстие. Упрочняющие элементы позволяют повысить разрывную прочность отрезных кругов и, как следствие, увеличить допустимую скорость шлифования, а вместе с ней - поднять производительность обработки. Упрочняющие элементы повышают также уровень безопасности при работе отрезными кругами. Наряду с повышением разрывной прочности, кольца способствуют также более точной фиксации круга на шпинделе шлифмашинки или абразивно-отрезного станка и нивелируют усадку абразивной массы у посадочного отверстия при термообработке круга. Кольца и сетки могут также отсутствовать в отрезном круге. Это удешевляет себестоимость и повышает производительность его изготовления, но снижает эксплуатационные возможности. 9 — Допустимая рабочая скорость круга (в м/с). Это скорость, при которой гарантируется безопасная работа круга. Безопасность обеспечивается путём испытания отрезных кругов, согласно ГОСТ 12.3.028-82, табл. 7 [40], при скорости в 1,3 раза превышающей их рабочую скорость. При этом, чем больше величина допустимой рабочей скорости, тем выше работоспособность круга. 10 — Класс неуравновешенности круга. Уравновешенность круга — это один из показателей его качества. Из-за неуравновешенности возникает дисбаланс и биение круга при его вращении, которые приводят к снижению стойкости, про изводительности и качества обработки. Согласно ГОСТ 3060-86 установлены 4 класса неуравновешенности шлифовальных кругов, в соответствии с которыми для кругов с различными массами указаны допустимые величины их неуравновешенности [20, с. 79]. Чем выше класс неуравновешенности, тем ниже требования к дисбалансу шлифовального круга.
Так как часть представленной характеристики совпадает с маркировкой по ГОСТ 21983—82, то далее расшифровываются только имеющиеся дополнения и изменения. 1 - Форма шлифовального круга (41 - плоская, 42 - с утопленным центром). 2 — Звуковой индекс, обозначающий твёрдость круга (в данном случае буквенное обозначение твёрдости отсутствует). 3 — Тип связки (В - бакелитовая связка, R - вулканитовая связка). 4 — Наличие в круге упрочняющих элементов (F — упрочняющая сетка; отсутствие буквы означает отсутствие упрочняющего элемента). 5 — Рекомендация по обрабатываемому материалу (М — обрабатываемый материал металл; NM — обрабатываемый материал неметалл). 6 — Предельная рабочая скорость. В данном случае, наряду с цифровым обозначением, допустимая рабочая скорость маркируется также цветными полосами по ГОСТ 12.3.028-82 [40, с. 6]: желтая полоса - на кругах с рабочей скоростью 60 м/с, красная — на кругах с рабочей скоростью 80 м/с, зеленая — на кругах с рабочей скоростью 100 м/с, зеленая и синяя - на кругах с рабочей скоростью 125 м/с. Рекомендуемые предельные рабочие скорости круга: 50, 63 м/с — для отрезных кругов на бакелитовой связке без упрочняющих элементов; 80, 100, 125 м/с - для кругов на бакелитовой связке с упрочняющими элементами; 50, 63, 80 м/с — для кругов на вулканитовой связке.
Разделение шлифовальных зёрен по форме
При необходимости выделения из общей массы абразива фракций зёрен с определенной формой можно использовать различные методы и подходы. Они сформировались в разное время, на основе практики разделения по форме и размерам сыпучих масс каких-либо мелких частиц (например, семян растений, фракций горных пород и др.) [46, 117, 118].
Все методы по принципу разделения можно дифференцировать на следующие группы: разделение частиц по форме с помощью сил трения; разделение с использованием свойств парусности частиц; разделение с помощью электростатического поля; комбинированные методы. Для реализации этих методов на практике используют различные конструкции сепараторов, в том числе: неподвижные скатные горки [27], винтовые [32], центробежные [46, 58], вибрационные [18, 117], гидро- и аэродинамические [58], электростатические [15, 89], комбинированные электростатические [ПО] сепараторы.
Анализ перечисленных методов и сепараторов для разделения частиц по форме с позиций возможности их использования для сортировки шлифовальных зерен показывает, что лишь часть из них может быть эффективно использована для такой цели. Это обусловлено тем, что одни из них сложны в реализации и в обслуживании, другие не обеспечивают требуемой производительности сортировки, третьи не гарантируют необходимого качества и широты диапазона разделения исходной массы абразива.
Среди известных конструкций устройств для разделения шлифовальных зёрен по форме наиболее приемлемыми представляются вибрационные сепараторы. Они, как правило, сочетают в себе ряд положительных моментов, в числе которых: простота конструкции и легкость в эксплуатации, достаточно высокая производительность и качество сепарирования. Данные сепараторы, независимо от разновидностей конструктивного исполнения, имеют в своем составе ряд общих элементов — наклонную деку, вибровозбудитель, упругую систему и раму. Деке, при помощи вибровозбудителя, сообщаются колебательные движения с необходимой частотой и амплитудой, в результате которых частицы, находящиеся на деке, начинают перемещаться по определенным траекториям, разделяясь на группы с одинаковыми характеристиками. Вибрационные сепараторы различаются по: целевому назначению — для разделения частиц по размерам и по форме; числу выдаваемых продуктов сепарации - на двух-, трёх- и многопродуктовые; числу дек - на одно- и многодечные (многоярусные); типу дек -на сепараторы с плоскими, вогнутыми и коническими деками; конструкции дек - на одинарные или многожелобчатые, секционные, односкатные или двускатные деки; типу колебаний - на сепараторы с прямолинейными гармоническими колебаниями дек, с би гармоническими или эллиптическими, с круговыми или винтовыми колебаниями дек; типу вибровозбудителя - с механическим дебалансом или электромагнитным возбудителем; характеру рабочей поверхности - на деки с гладкими или шероховатыми поверхностями; способу установки - на опорные (деки опираются на рессоры, установленные на раме) или опорно-подвесные (деки совершают колебания вместе с подвижной рамой, подвешенной на тросах к опорной раме).
В данной работе для разделения шлифовальных зёрен по форме был использован вибросепаратор, внешний вид которого изображен на рис. 2,2 [111]. Технические характеристики вибрационного сепаратора: габаритные размеры- 1020x850x1300 мм; размер деки -500x800 мм; размер разделяемых зё 43 рен — 250-4250 мкм; производительность (при одно дековой конструкции) -1,0+4,0 кг/ч; частота колебаний деки - 1600+1900 мин"1; амплитуда колебаний -0,6+3,0 мм; угол продольного наклона деки - 0+30; угол поперечного наклона деки — 0+10; мощность электродвигателя — 0,12 кВт.
Вибросепаратор состоит из плоской деки, закрепленной на активной раме, которая посредством рессорно-упругой системы зафиксирована на реактивной раме. Реактивная рама соединена виброизоляторами с поворотной рамой, расположенной на станине сепаратора. Поворотная рама позволяет регулировать углы продольного и поперечного наклона деки. Вибрации деки задаются электродвигателем с дебалансным вибровозбудителем, а изменение частоты вибраций обеспечивается за счет бесступенчатого регулирования скорости вращения электродвигателя. Амплитуда колебаний деки варьируется путём изменения массы сборных дебалансов и фазового угла между ними. Частота и амплитуда колебаний деки, а также её наклон в продольном и поперечном направлениях подбираются экспериментальным путем для каждой марки и зернистости сортируемого абразива с целью обеспечения наиболее качественного и производительного процесса сепарации.
При работе вибросепаратора исходный абразивный материал подаётся с помощью порционного питателя в верхнюю часть деки и под действием вибраций и сил трения начинает веерообразно расходиться по поверхности деки. При этом зёрна изометрической формы скатываются сразу вниз по коротким траекториям в ближние приёмники, а чем больше форма зёрен приближается к пластинчато-игольчатым разновидностям, тем по более пологим и длинным траекториям они перемещаются и попадают в дальние приёмники. Общее количество задействованных приёмников зёрен (ячеек, резервуаров) составляет, как правило, от 12 до 14.
Сепарация зёрен по форме и приготовление формовочных смесей
Для изготовления экспериментальных отрезных кругов использовались шлифовальные зёрна, предварительно отсортированные на вибрационном сепараторе (см. п. 2.2.) на ряд фракций с одинаковой формой. Из полученных фракций зерен приготавливались формовочные смеси с типовой рецептурой, представленной в табл. 3.1.
Для смешивания компонентов смеси использовалась специальная смесительная установка [109], внешний вид которой изображен на рис. 3.1, а, и её схема представлена на рис. 3.1, б. Отличительной особенностью установки от других известных конструкций является обеспечение тщательного смешивания компонентов за счет сложной и бесступенчато-регулируемой кинематики движений этого процесса.
Смесительная установка (рис. 3.1, б) имеет станину 1, на которой находится чаша 2, к которой с помощью болтов 3 прикреплен ведомый шкив 3, соединённый посредством ременной передачи 5 (с натяжителем 6), червячного редуктора 7 и муфты 8 с электродвигателем 9. Для выгрузки готовой смеси из чаши предусмотрен люк 10. На вертикальной стойке 11 располагается горизонтальная площадка, на которой размещены остальные исполнительные механизмы. В их числе: червячный редуктор 12, соединённый муфтой 13 с электродвигателем 14, приводящим во вращение гребёнку 15, которая перемешивает абразивную смесь, находящуюся во вращающейся чаше. Кроме вращения, гребёнка 15 имеет возможность перемещаться в чаше в радиальном направлении (вместе с двигателем 14 и редуктором 12) по направляющим 16 с помощью роликов 17. Обеспечивается это за счёт кривошипно-шатунного механизма 18, приводимого в движение через червячный редуктор 19 и муфту 20 электродвигателем 21.
Электродвигатели 9 и 14, вращающие чашу и гребёнку, имеют бесступенчатое регулирование скорости вращения. Благодаря этому, а также возвратно-поступательному перемещению гребёнки, создаются условия для качественного перемешивания абразивной массы во всём объёме чаши и исключается возможность образования застойных зон и непромешивания. В результате достигается высокая однородность смешиваемой массы. Кроме того, возможность бесступенчатого регулирования скоростей вращения чаши и гребёнки создают предпосылки оптимизации режимов смешивания для разных марок и зернисто-стей шлифовальных зёрен, разных типов связок и других компонентов смеси.
При изготовлении экспериментальных отрезных кругов формовочные смеси готовились в следующей последовательности. В чашу засыпались шлифовальные зёрна, к ним добавлялся жидкий бакелит, после чего осуществлялось смешивание в течение 5-6 мин. Затем в эту абразивную массу засыпался пуль-вербакелит и смешивался с ней в течение 5-6 мин. По истечение этого времени в чашу засыпались наполнители - криолит и пирит и производилось окончательное смешивание (5 — 6 мин). Общая продолжительность процесса смешивания составляла 15 — 20 мин. В результате получалась рассыпчатая однородная смесь, легко формующаяся при приложении сжимающей нагрузки. Точное дозирование компонентов смеси по массе осуществлялось с помощью элек тронных весов «CAS CS-2,5» с пределом взвешивания 2,5 кг и дискретностью индикации 0,5 г. После удаления формовочной смеси из чаши смесителя она протиралась через сито с целью исключения возможных комков и инородных включений.
Для осуществления операции формования экспериментальных отрезных кругов была спроектирована и изготовлена специальная прессформа.
Данная прессформа спроектирована специально для условий опытного изготовления шлифовальных кругов. Её конструкция позволяет производить весь перечень необходимых операций, при этом обеспечена универсальность пресс-формы и возможность её быстрой (ручной) установки и извлечения из рабочей зоны прессового оборудования. Внешний вид прессформы изображен на рис. 3.2, а, а конструкция и размеры - на рис. 3.2, б.
Прессформа имеет в своём составе базовую плиту 1, верхнюю формовочную плиту 2, нижнюю формовочную плиту 3, кольцо 4, центральный штифт 5 и дискообразные упоры 6. Прессформа позволяет формовать отрезные круги с наружным диаметром 230 мм, диаметром посадочного отверстия 32 мм и высот той в пределах 1,5- -12,5 мм. Размер высоты формуемых кругов может регулироваться за счет толщины упоров 6, а наружный и посадочный диаметры зависят от диаметров кольца 4, отверстий в плитах 2 и 3, наружного диаметра штифта 5 и, при необходимости, могут быть выполнены с другими размерами. Все детали прессформы (кроме упоров) изготовлены из стали X и закалены в масле (с последующим низким отпуском) на твердость HRC 62- -64.
Стенд для прочностных испытаний отрезных шлифовальных кругов динамическим методом
Применение станков, описанных в предыдущем разделе, не всегда бывает экономически оправданно, особенно в случаях периодической и редкой проверки на прочность небольших партий шлифовальных кругов, как это бывает, например, при проведении научных исследований. Кроме того, большинство испытательных станков, имеющихся на отечественных машиностроительных предприятиях, ввиду невысоких максимальных рабочих скоростей, не позволяют испытывать отрезные шлифовальные круги, армированные стеклосетками (доводить скорость круга до его разрыва). Так, например, максимальная скорость вращения шпинделя у станка модели СИП-800 составляет 10500 об/мин, в то время как средние скорости разрыва обычных отрезных кругов с наружным диаметром 230 мм (предназначенных для работы со скоростью 80 м/с) составляют порядка 12000 об/мин. Вследствие этого, для проведения исследований более целесообразно использовать какой-либо готовый привод, доработанный и модернизированный под конкретную задачу. Именно такой путь был реализован в данной работе при создании и последующем испытании отрезных шлифовальных кругов с контролируемой формой зёрен [74]. В данном случае за базу был взят универсально-заточной станок модели ЗА64Д, на основе которого был создан специальный испытательный стенд, внешний вид и конструкция которого представлены на рис. 4.1 (дг, б).
Здесь, на рабочем столе 1, закреплена с помощью резьбовых соединений и Т-образных пазов бронекамера 2, стенки и съёмная крышка которой выполнены из листовой стали толщиной 7 мм. В бронекамере находится шпиндельный узел, на который устанавливается испытуемый шлифовальный круг. Крышка камеры надёжно фиксируется четырьмя болтами, чем обеспечивается получение замкнутого пространства, в котором происходит последующее разрушение шлифовального круга. Шпиндель испытательной камеры кинематически связан со шпиндельным узлом станка 3 посредством клиноременной передачи. Расположение шкивов данной передачи в одной плоскости достигается посредством поперечного перемещения рабочего стола станка с помощью маховика 4. Предварительное натяжение ремня клиноременной передачи обеспечивается продольным перемещением стола 1, с закреплённой на нём испытательной броне-камерой 2, посредством маховика 5. Фиксация рабочего стола станка в необходимом положении осуществляется с помощью упоров 6. Более точное регулирование натяжения ремня клиноременной передачи производится вертикальным перемещением шпиндельного узла 3 с помощью маховика 7. Бесступенчатое регулирование скорости вращения шпинделя испытательной бронекамеры обеспечивается за счёт тиристорного привода и переменного резистора 8, а контроль скорости вращения осуществляется с помощью вольтметра 9, включённого в цепь главного электродвигателя постоянного тока.
Кинематическая схема стенда отличается от кинематической схемы базового станка модели ЗА64Д тем, что добавлено ещё одно звено. Шпиндель станка связан со шпинделем испытательной бронекамеры посредством клиноременной передачи через шкивы с соотношением делительных диаметров соответственно 2,88:1. Такое техническое решение было применено для увеличения максимальной скорости вращения шпинделя бронекамеры.
Для определения эксплуатационных параметров шпинделя бронекамеры был проведён расчёт действующих при испытаниях нагрузок, выбран оптимальный материал для данного вала (сталь 40Х), назначена его термообработка (закалка в масле и высокий отпуск), а также выбраны подшипники, удовлетворяющие исходным требованиям. В шпиндельном узле бронекамеры, в частности, были применены радиально-упорные подшипники 36204 с максимальной допустимой скоростью вращения 20000 об/мин на жидкой смазке.
На стенде обеспечивается бесступенчатое регулирование скорости вращения шпинделя в пределах 800 — 18500 об/мин. Бронекамера и шпиндельный узел позволяют испытывать отрезные и обдирочные шлифовальные круги с максимальным диаметром 356 мм и высотой до 10 мм.
На данном стенде испытано более 40 экспериментальных отрезных шлифовальных кругов с контролируемой формой зёрен, как с упрочняющими элементами, так и без них. При этом разрывные скорости некоторых типов испытанных кругов составляли порядка 175 м/с.
К числу недостатков динамических методов оценки прочности шлифовальных кругов относится то, что разнообразная номенклатура шлифовальных кругов и высокие скорости вращения требуют применения в испытельных станках сложных и дорогостоящих двигателей и подшипников, механизмов бесступенчатого регулирования скорости, высокопрочных шпиндельных узлов, бронированных металлических испытательных камер. Кроме того, сам процесс получения данных о прочности кругов путём испытания их на разрыв вращением является довольно трудоёмкой, опасной и дорогостоящей операцией. В связи с этим применяются также статические методы испытания шлифовальных кругов на механическую прочность, которые основаны на том, что силы, действующие при работе шлифовального круга можно имитировать, прикладывая соответствующие нагрузки к специальным образцам [22]. Такими образцами служили, например, тела типа «восьмёрок», изготавливаемые из той же смеси, что и шлифовальные круги. Их разрушали растягивающими усилиями на разрывных машинах. Получаемый результат экстраполировали на разрывную прочность круга. Однако, при сопоставлении опытных данных, было обнаружено довольно большое расхождение между прочностью образцов и прочностью кругов. Аналогичным образом, для оценки прочности круга, использовали результаты испытаний на изгиб образцов типа брусков. При использовании данного способа выявилось ещё большее расхождение между прочностью круга и прочностью образцов-брусков. С целью перехода от прочности на изгиб к прочности на растяжение был введён коэффициент, равный отношению величин этих прочностей. Но практика показала, что значение этого коэффициента не постоянно, а колеблется, например, для кругов на керамической связке — в пределах 2,3-2,7 [144, 123]. Перечисленные статические методы прочностных испытаний обладают двумя существенными недостатками. Первый из них заключается в значительном расхождении опытных данных прочности образцов и прочности кругов. Второй состоит в том, что данные методы не позволяют испытать непосредственно шлифовальный круг, в то время как в большинстве случаев необходимо произвести контроль прочности шлифовального круга перед его эксплуатацией.
Для устранения недостатков существующих методов контроля прочности шлифовальных кругов предлагается новый статический способ, на который получен патент на изобретение [112, 73]. Сущность его заключается в том, что тангенциальные растягивающие напряжения, которые оказывают основное влияние на разрушение шлифовального круга, создаются в теле шлифовального круга путём приложения равномерно распределённого давления по поверхности посадочного отверстия круга без его вращения, причём характер распределения и знак возникающих при этом тангенциальных растягивающих напряжений являются такими же, как при вращении шлифовального круга.
