CC BY
21
РЕЗАНИЕ, СТАНКИ И ИНСТРУМЕНТЫ
УДК 621. 922.025
В.И. Курдюков, В.К. Коротовских Курганский государственный университет
ФОРМИРОВАНИЕ КАРКАСНОГО СТРОЕНИЯ РАБОЧЕГО СЛОЯ АЛМАЗНЫХ КРУГОВ
Аннотация
Обоснована эффективность введения высокопористых частиц в состав алмазных кругов. Рассмотрены виды кругов каркасного строения с использованием предложенных частиц.
Ключевые слова: алмазные зерна, высокопористые частицы, строение, структура, каркас, параметры.
V.I. Kurdyukov, V.K. Korotovskikh Kurgan State University
CARCASS COMPOSITION FORMING OF DIAMOND WHEELS WORKING SURFACE
Annotation
Efficiency of introduction high-porous particles into the contents of diamond wheels is founded. Types of carcass composition wheels with the use of suggested particles are written.
Key words: diamond grains, high-porous particles, composition, structure, carcass, parameters.
Полимерные композиционные материалы, используемые для изготовления рабочего слоя алмазных кругов на органических связках, представляют собой гетерогенные дисперсные системы. В них в качестве дисперсионной сплошной среды используется органическое связующее вещество, дисперсной раздробленной фазы -частицы алмазных зерен и других наполнителей, вводимых в состав круга.
C точки зрения кинетического состояния [1] известно два вида дисперсных систем - свободно - и связнодис-персные, различие которых определяется объемом частиц дисперсной фазы. Если частиц немного, и они могут свободно перемещаться по всему объему рабочего слоя - это свободнодисперсные системы низкой прочности и жесткости. При увеличении объемной доли наполнителя частицы при определенном содержании начинают контактировать друг с другом, формируя каркас. Система становится связнодисперсной. Только с образованием каркаса в связнодисперсной системе вводится понятие структуры. Ее отличительным признаком является непосредственная связь и взаимодействие между частицами, по степени которых структуры и контакты подразделяются на коагуляционные и конденсационно-кри-сталлизационные. Подобная система с определенной структурой (каркасом), в которой частицы контактируют друг с другом, приобретает повышенную способность воспринимать нагрузку, обладает большей прочностью, упругостью и т.д. Таким образом, для алмазного шлифовального инструмента, к ГОСТовскому определению структуры (соотношение объемных долей зерен, связки и пор), целесообразно добавить и такое понятие структуры, как сформированный каркас. Это особенно важно
для кругов на органических связках.
Органические связки, имея низкую теплопроводность, способствуют сосредоточению тепла в поверхностном слое инструмента. Поэтому в процессе шлифования полимерная матрица размягчается, и режущие зерна, заглубляясь в нее, теряют способность резать. Следовательно, зерна нуждаются в постоянной, достаточно жесткой и прочной опоре, которую можно получить за счет формирования из них каркаса. Серийно выпускаемые алмазные круги на органических связках характеризуются тем, что имеют только две составляющие структуры - алмазные зерна и связку При этом для совершенствования круга можно варьировать объем и величину частиц наполнителя. Размер зерен алмазов или зернистость определяется требованиями к качеству обрабатываемой поверхности. Остается при заданной зернистости менять объемную долю алмазных зерен (концентрацию кругов). Так, для алмазного шлифовального инструмента известны концентрации в 25; 50; 75; 100; 125; 150; 175 и 200% с содержанием объемной доли режущих зерен в 6, 25; 12,5; 18,75; 25; 31,25; 37,5; 43,75 и 50% зерен соответственно. Учитывая упаковку зерен алмазов, формирование связной системы и каркаса из них может осуществляться только при концентрации 200 и более процентов. Однако круги с повышенной концентрацией практически не применяются из-за их резкого удорожания. В некоторых видах органических связок для образования каркаса, кроме алмазных зерен, используется наполнитель из зерен карбида бора, кремния, электрокорунда. При этом размер вводимых частиц принимается на один-два номера ниже зернистости режущих зерен, а объем не превышает 15%. При данных размерных и объемных соотношениях зерен дисперсной фазы даже для кругов 100% концентрации сформировать каркас невозможно. Кроме того, частицы из традиционного абразивного материала имеют низкую твердость и во время работы быстро изнашиваются с образованием площадки износа, увеличивая и без того значимую площадь контакта связки круга с обрабатываемой поверхностью. Другим недостатком серийно выпускаемых кругов на органических связках является отсутствие в их них такой эффективной составляющей структуры, как пористость [2]. Отсутствие пористости и, как следствие, необходимого межзернового пространства на режущей поверхности кругов для размещения отходов шлифования приводит к ее засаливаемости, резкому повышению термосиловой напряженности процесса резания, к повышенному расходу кругов, появлению трещин на обрабатываемой поверхности.
Решить данную проблему можно с помощью комбинированного каркаса из режущих зерен и пустотелых частиц, которые могли бы быть одновременно и опорой для зерен алмазов и порой. В качестве таких частиц авторами было предложено использовать выпускаемые промышленностью полые сферические частицы (ПСЧ) с высокой собственной пористостью из стекла, керамики и т.п. материалов. Их размеры и физико-механические свойства позволяют формировать жесткий однородный каркас с алмазными зернами при прессовании и термообработке рабочего слоя. В процессе шлифования ПСЧ легко вскрываются при выходе на рабочую поверхность кругов, способствуя повышению характеристик работоспособности последних.
На основе предлагаемой идеи (авторское свидетельство СССР № 1355470) в алмазные круги 100% концентрации на металлоорганической связке В1-02 вмес-
114
ВЕСТНИК КГУ, 2010. №1
то карбида бора были введены ПСЧ из электрокорунда. Сформированный при этом каркас определялся следующими параметрами: диаметр ПСЧ был принят равным
0.66.размера алмазных зерен при соотношении объема связки к объему сфер в пределах 2 - 6. По сравнению с серийными, круги с улучшенным каркасным строением позволили повысить производительность и качество труднообрабатываемых материалов. Так, при шлифовании твердого сплава ВК8 удельный расход алмазов сократился в 2,5 раза, а шероховатость обрабатываемой поверхности Ра снизилась с 0,50 до 0,12 мкм. Однако при таком соотношении составляющих структуры: алмазных зерен - 25%, полых микросфер (пористости) - 14-25% и связки от 50 до 61 об.% каркас имел большую величину прослойки между частицами. Кроме того, низкое содержание пор сдерживало возможность повышения работоспособности алмазных кругов.
Более эффективный пространственный каркас из зерен и повышенного содержания микросфер с оптимальной толщиной прослойки между ними был создан за счет нанесения на ПСЧ полимерных и металлических покрытий (а. с. СССР № 1823348). Параметры предлагаемого каркаса заданы соотношением размеров зерен и сфер как 1,0 - 0,66 и объема связки к объему ПСЧ в пределах 0,6 - 2,0. Принятое соотношение дало возможность получить устойчивый каркас на стадии формования и сохранить его во время термообработки рабочего слоя. Прочностные характеристики данной структуры были улучшены за счет нанесения на ПСЧ покрытий, повышающих прочность самих частиц и их адгезии со связкой. Так, например, покрытие стеклянных ПСЧ хлоридами или оксихлоридами металлов в газовой среде приводит к увеличению их гидростатической прочности на 4060%. В этих условиях пористость рабочего слоя может достигать 45%, т.е. уровня пористости алмазных кругов на керамических связках. Предложенное техническое решение позволило по сравнению с а. с. № 1355470 снизить удельный расход алмазов и шероховатость обрабатываемой поверхности в среднем в 2 раза.
Список литературы
1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и
дисперсные системы. - М.: Химия, 1988. - 464 с.
2.Курдюков В.И., Коротовских В.К. Методы получения высокопористых структур шлифовальных инструментов из СТМ на органических связках // Сверхтвердые материалы. - 1993. - №4. - С. 30-35.
УДК 621.922
В.К. Коротовских, Н.В. Агапова, Е.В. Бурлев, Д.С. Федин
Курганский государственный университет
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «ЗЕРНО-СВЯЗКА» АЛМАЗНЫХ КРУГОВ НА ОРГАНИЧЕСКИХ СВЯЗКАХ
Аннотация
Изучено напряженное состояние системы «зерно-связка» алмазных кругов на органических связках с помощью метода конечных элементов в пакете T-FLEX. Установлены зависимости главных нормальных напряжений от размера зерна и степени его заглубления в связке.
Ключевые слова: алмазные зерна, связка, напря-
женно-деформированное состояние, главные нормальные напряжения, модель.
V.K. Korotovskikh, N.V. Agapova, E.Y. Burlev, D.S. Fedin Kurgan State University
«GRAIN-BOND» SYSTEM TENSION STATE OF DIAMOND WHEELS ON ORGANIC BONDS
Annotation
«Grain-bond» system tension state of diamond wheels on organic bonds by means of final elements method in package T-FLEX is studied. Dependences of the main normal tensions on the size of grain and its depth degree in a bond are established.
Key words: diamond grains, a bond, the intense-deformed condition, the main normal tensions, model.
Рабочий слой алмазных кругов является композицией, состоящей из алмазных зерен и связки. Напряженно-деформированным состоянием (НДС) системы «зерно-связка» во многом определяются характеристики работоспособности алмазных кругов.
Обзор научно-технической литературы показал, что в настоящее время имеются аналитические и экспериментальные исследования НДС алмазных кругов, в качестве которых можно привести работы, рассмотренные в [1]. Так, аналитическое изучение устойчивости алмазных зерен в связке выполнено по аналогии с расчетом устойчивости сооружений, заглубленных в грунт. Форма зерна принималась в виде прямоугольного параллелепипеда с равносторонним основанием. Определялись вертикальное, горизонтальное и угловое перемещения зерна, максимальные краевые напряжения в его основании. Получено выражение для расчета максимального нормального напряжения утах с учетом следующих параметров системы:
65 X
а
max
rjBbK
P
y
6 (3 h - h з )
i
P 2 + P
d'
3 d'
где Рх, Р Рг - составляющие силы резания;
Хн - номинальный размер зерна;
сх и сг- коэффициенты упругого равномерного сжатия связки на уровне основания зерна соответственно по горизонтали и вертикали;
Н - высота зерна;
Н3 - глубина заделки;
d - величина стороны основания зерна;
Ь - ширина обрабатываемого металла;
К - концентрация алмазов, %;
7 - доля работающих зерен;
В - ширина круга.
Экспериментальное изучение НДС системы «зерно-связка» осуществлено с помощью определения удержания единичного зерна в связке на специальной установке, принцип действия которой основан на статическом приложении к зерну возрастающего усилия с фиксацией момента отрыва и соответствующей ему силе РВ Глубина заделки зерен измерялась по оставшимся лункам. Характеристикой удерживающей способности связки являлась величина РВ при конкретном значении отно-
z
c
x
h
c
z
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 5
115
