CC BY
6УДК 621.923+629.7 DOI: 10.12737/18169
МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТРАНСПОРТ
В.И. Бутенко, Л.В. Гусакова
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛЁНКООБРАЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ В ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГАХ
Обоснована и экспериментально подтверждена эффективность введения в состав абразивной массы плёнкообразующего вещества, обеспечивающего увеличение съема металла с обрабатываемой поверхности, снижение температуры в зоне обработки и коэффициента трения, параметров ше-
роховатости, числа и площади прижогов на обработанной поверхности.
Ключевые слова: шлифовальный круг, пленкообразующие материалы, абразивная масса, коэффициент трения, прижоги, поверхностный слой, деталь, шероховатость.
V.I. Butenko, L.V. Gusakova
EFFECTIVENESS IN APPLICATION OF FILM-FORMING MATERIALS IN ABRASIVE DISKS
A basic problem in current mechanical engineering consists in manufacturing long-lived, reliable and competitive products. One of factors meeting these requirements is manufacturing parts with high servicing characteristics. In spite of that today there is a large number of various methods for product finishing the routine method in our country and abroad is an abrasion, and, in particular - grinding.
As a result of theoretical and experimental researches carried out there is solved a significant scientific problem having a considerable production and economical importance for an engineering technique -there are developed and investigated methods for effectiveness increase in grinding part surfaces made of
Ещё в 1950-х годах французские инженеры Робертс и Фьюри [1] обнаружили аномальное повышение стойкости резцов при обработке титановых сплавов и коррозионно-стойкой стали с введением микро-доз йода в состав смазочного средства. Фьюри было также установлено, что действие йода эффективно и при трении. Так, было зафиксировано, что введение микро-доз присадок йода (0,01-0,001 %) в состав смазочного средства в несколько раз уменьшает коэффициент трения. Дальнейшие работы подтвердили, что наибольшая эффективность от использования йода зафиксирована при обработке лезвийным и абразивным инструментом титана и его сплавов. Авторы [1] объясняют высокую эффективность йодосодержа-щих технологических средств адсорбци-
high-alloy and heat-resistant materials through changes in design and structure of abrasive tools.
For the first time theoretically and experimentally there was proved a possibility of use chromium diio-dide in the composition of mass for abrasive tool manufacturing with the aid of which films are formed ensuring lowering the temperature by 20-30 % in the area of grinding.
Key words: abrasive disk, film-forming materials, abrasive mass, constant of friction, burns, surface layer, part, roughness.
онной и химической активностью йода по отношению к металлам, его способностью образовывать комплексные соединения, благоприятно влияющие на снижение температуры в зоне контакта абразивного зерна с обрабатываемым материалом.
Высокие температуры и контактные давления в зоне шлифования создают сложные условия протекания процесса шлифования, приводящие к возникновению прижогов на обработанной поверхности детали. Вследствие этого представляет интерес изменение условий контактирования абразивных зёрен с обрабатываемым материалом путём создания в зоне контакта плёнок, обладающих низким коэффициентом трения. Наиболее перспективным, на наш взгляд, является введение в зону контакта соединений йода, которые разла-
гаются при высоких температурах, а выделяющийся при этом йод активно реагирует с металлом, образуя плёнки йодидов металлов, устойчивые к высоким температурам и обладающие низким коэффициентом трения.
Известно, что коэффициент трения / определяется суммой адгезионной (ра) и деформационной (рд) составляющих:
т = та + тд.
Деформационная составляющая имеет существенное значение при трении шероховатых поверхностей деталей из металлических материалов, что обусловлено потерями при повторном передеформировании тонких поверхностных слоёв. Однако коэффициент трения в зоне контакта абразивного зерна с обрабатываемым материалом зависит не только от шероховатости контактирующих поверхностей, выделяющейся теплоты, но и от теплофизических свойств абразивного и обрабатываемого материалов, а также плёнки, создаваемой между ними. Кроме этого, в зоне шлифования наблюдается различный характер трения между:
- абразивным зерном и обрабатываемым материалом (особенно при затуплении абразивного зерна);
- сходящей стружкой и свободными поверхностями абразивного зерна;
- связкой и обрабатываемым материалом;
- образующейся стружкой и связкой;
- обрабатываемым металлом и металлом, заполняющим пространство между соседними абразивными зёрнами в случае засаливания шлифовального круга.
Неоднозначность характера трения между абразивным зерном, обрабатываемым материалом, стружкой и связкой, изменение условий его протекания во времени и его нестабильность не дают возможности оценивать контактные процессы в зоне шлифования с единых позиций и описывать их одним коэффициентом трения. В связи с этим для обоснования возможности и целесообразности применения плёнкообразующих материалов в шлифовальных кругах была использована формула определения коэффициента трения при
контакте шероховатых поверхностей, предложенная Г.Эрнстом и П. Мерчентом [2]:
т
е
ср
НВ
+ tga,
где еСР - сопротивление материала срезу для фактической площади контакта; НВ -твёрдость контактирующего материала; а - средний угол, составляемый силой трения с фактической площадью контакта (угол трения).
Поскольку сопротивление еСР , по данным Г.Эрнста и П. Мерчента, является величиной, характеризующей плавление металла в условиях контакта при высоких температурах, то, исходя из известных термодинамических зависимостей, можно записать:
Ь 0.
еСР = 0,427
-^Р^ П
0
где Ьр - скрытая теплота плавления на единичной площадке контакта (её величина приводится в справочной литературе и для железоуглеродистых сплавов равна 22,3 ккал/см ); 0П - температура плавления контактирующего материала; 0 -фактическая температура в зоне контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом, принимаемая в дальнейшем температурой шлифования.
Тогда некоторый обобщённый коэффициент трения /иъ, обусловленный наличием в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемым металлом плёнки с низким коэффициентом трения, может быть определён по формуле
0,427Ьр0П / =-гг^Р + tga.
„ (1)
НВ0
Предполагается, что плёнкообразующий материал будет неравномерно распределён по контактирующим поверхностям в зоне шлифования: на отдельных участках он будет отсутствовать вследствие высокоскоростного режима обработки. Тогда угол а можно представить в виде разности углов: а = аъ -аПЛ, где а - средний угол, составляемый силой трения с участками контакта как в присутствии раздели-
тельной плёнки, так и без неё; аПЛ - средний угол, составляемый силой трения с участком контакта с равномерным распределением разделительной плёнки постоянной толщины. Учитывая это, формулу (1) можно записать в следующем виде: 0,427Ьр0П , ,
т = —нВ0 +18 (а -аПЛ).
Тогда температура в зоне взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом определится из выражения
0 =
0,427Ьр 0П
(2)
НВ (т.-18 (ах-аПЛ))' Выполнив преобразования и приняв 8аъ = т, ¿8аПЛ = тПЛ, из зависимости (2) получим следующую формулу определения температуры в зоне шлифования при подаче в неё плёнкообразующего материала:
0,427Ьр 0П (1+ттПл)
0=
(3)
НВтпл (1 ) Анализ полученной формулы (3) показывает, что температура в зоне шлифования 0 в случае применения плёнкообразующих материалов находится в сложной зависимости от коэффициента трения тПЛ, так как обобщённый коэффициент трения т также зависит от коэффициента тПЛ. Исходя из того, что от значения температуры в зоне шлифования зависят число и размеры прижогов на обработанной поверхности детали, был проанализирован характер зависимости 0 от величины тПЛ. Для обрабатываемых шлифованием железоуглеродистых сплавов постоянными были приняты следующие величины:
Ь = 22,3ккал/
0 п =
1540°С; НВ =
см
220; т = 0,6 [3].
На рисунке приведён график зависимости температуры в зоне шлифования 0 от коэффициента трения плёнкообразующего материала ¡иПЛ, построенный по расчётным значениям 0 , вычисленным по формуле (3).
Анализ полученного графика даёт основание утверждать о целесообразности добавления в состав абразивных инструментов специальных плёнкообразующих материалов, позволяющих существенно снизить температуру в зоне контакта абразивных зёрен с обрабатываемым материалом и уменьшить тем самым число и площадь прижогов на поверхности детали.
Рис. Расчётный график зависимости температуры в зоне шлифования 0 от коэффициента трения плёнкообразующего материала тПЛ для железоуглеродистых сплавов
В качестве плёнкообразующей добавки при изготовлении шлифовальных кругов рекомендуется использовать дийодид хрома в количестве 0,6 - 0,8 % от общей массы круга [4]. Исследования показали, что добавление в абразивную смесь дийо-дида хрома позволяет на 20 - 30% снизить температуру в зоне шлифования и, как следствие, в 1,5 - 2 раза уменьшить число и суммарную площадь прижогов на обработанной поверхности детали. Выводы:
1. Получена формула для определения средней температуры в зоне шлифования в зависимости от теплофизических свойств обрабатываемого материала и приведённого коэффициента трения, учитывающего коэффициент трения плёнкообразующего материала, подаваемого в зону контакта абразивных зёрен с поверхностью детали.
2. Доказана целесообразность применения в качестве плёнкообразующего материала в составе абразивной массы для изготовления шлифовального круга дийо-дида хрома. Приведён рекомендуемый состав такой абразивной массы.
2
Список литературы
1. Фьюри, М. Дж. Действие йода при получении низкой величины трения / М. Дж. Фьюри // Wear.
- 1965. - Т.9. - №5. - С. 18-23.
2. Резников, А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников. -М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.
3. Масса для изготовления абразивного инструмента: пат. 2392109 РФ: B24D 3/28 / Бутенко В.И., Дуров Д.С., Фоменко Е.С., Гусакова Л.В. -Заявл. 24.12.08; опубл. 20.06.10, Бюл. № 17.
1. Fury, M.J., Iodine effect at obtaining low friction value / M.J. Fury // Wear. - 1965. - Vol. 9. - No 5.
- pp. 18-23.
2. Reznikov, A.N., Thermal physics of processes in material machining / A.N. Reznikov. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - pp. 279.
3. Mass for abrasive tool manufacturing: pat. 2392109 RF: B24D 3/28 / Butenko V.I., Durov D.S., Fomenko E.S., Gusakova L.V. Appl. 24.12.08; published. 20.06.10, Bulletin № 17.
4. Бутенко, В.И. Влияние йода в составе шлифовального круга на контактную температуру при обработке деталей / В.И. Бутенко, Л.В. Гусакова // Современные проблемы механики и её преподавания в вузах: доклады IV Всерос. совещания-семинара зав. каф. и ведущих преподавателей теор. механики вузов Р Ф (г. Новочеркасск, 2124 сент. 2010 г.). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. - С.32-35.
4. Butenko, V.I., Iodine effect in abrasive disk structure upon contact temperature at part machining / V.I. Butenko, L.V. Gusakova // Current problems in mechanics and its teaching in colleges: Proceedings of the IV-th All-Russian Conference-Seminar of Heads of Departments and Senior Lecturers on Engineering Mechanics in Colleges of the RF (Novocherkassk, September 21-24, 2010). - Novocherkassk: SRSTU, 2010. - pp. 32-35.
Статья поступила в редколлегию 2.12.2015. Рецензент: д.т.н., профессор Южного федерального университета Финаев В.И.
Сведения об авторах:
Бутенко Виктор Иванович, д.т.н., профессор кафедры «Механика» Южного федерального университета, г. Таганрог, е-mail: GusakovaLV@mail.ru.
Butenko Viktor Ivanovich, D.Eng., Prof. of the Dep. "Mechanics" Southern Federal University, Taganrog, е-mail: GusakovaLV@mail.ru.
Гусакова Лиана Валерьевна, к.т.н., доцент кафедры «Основы проектирования машин» Ростовского государственного университета путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, е-mail: GusakovaLV@mail.ru.
Gusakova Liana Valerievna, Can.Eng., Assistant Prof. of the Dep. "Fundamentals in Machine Design" State University of Rostov-upon-Don, Rostov-upon-Don, е-mail: GusakovaLV@mail.ru.
