CC BY
112
УДК 621.922
В.М. Шумячер, С.А. Крюков, А.В. Славин, А.И. Мироседи
ИННОВАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА
Статья посвящена разработке инновационной методологии совершенствования абразивного инструмента, путем комбинирования механических, физических и химических способов воздействия на него.
Абразивный инструмент, совершенствование комбинированным воздействием.
V.M. Shumyacher, S.A. Kryukov, A.V. Slavin, A.I. Mirosedi INNOVATIVE TECHNOLOGICAL PRINCIPLES OF ABRASIVE TOOL ENHANCEMENT
This article is dedicated to the development of innovative methodologies for improving the abrasive tool by a combination of mechanical, chemical and physical influences on him.
Abrasive tool, composite action enhancement.
Неотъемлемой частью технологического обеспечения высокоэффективных свойств и показателей абразивного инструмента является проведение соответствующих инновационных мероприятий. Эти мероприятия включают формирование методологии и разработку моделей инновационных процессов. Теоретические наработки и практика совершенствования инструмента позволяют разработать соответствующую инновационную методологию, в основу которой входят методы последовательных приближений и компромиссной логики, систематизация и классификация всех нововведений в области производства инструмента и его эксплуатации, информатизация о совокупности возможных нововведений и степени их готовности к использованию, обоснованный и критический анализ результатов инноваций и планирование инновационных и экспериментальных мероприятий.
В основу модели инновационного процесса совершенствования инструмента входит изучение адаптивных свойств инструмента при воздействии внешней среды, а также эффективности нововведений и их влияния на функциональные свойства инструмента в целом.
Реализация инновационной методологии будет способствовать разработке конкретных технологических принципов совершенствования абразивного инструмента с целью повышения производительности и качества обработки машиностроительной продукции.
Основой инновационной методологии и моделей процессов явились теоретические положения работ по шлифованию и диспергированию материалов, физико-химической механике, молекулярной физике поверхностных сил и взаимодействий, физикохимическим основам смачивания, пропитывания и импрегнирования. Это позволило однозначно выявить причины изменчивости свойств и показателей инструмента и
установить основные факторы, влияющие на эти изменения. Полученные результаты исследований явились основой для разработки инновационно-технологических принципов совершенствования свойств серийного инструмента при подготовке его непосредственно к работе или в период его изготовления на абразивных заводах. Для решения поставленной задачи, в первую очередь, необходимо рассмотреть известные способы воздействий на свойства инструмента или процесс шлифования, которые в той или иной мере повышают производительность и качество обработанной поверхности изделия. При этом сущность любого способа будем характеризовать законами и закономерностями тех процессов и явлений, которые используются в качестве средств воздействия на инструмент и на обрабатываемый материал.
Анализ и систематизация внешних воздействий, их комбинаций и сочетаний позволили разработать укрупненную классификацию способов воздействий для изменения функциональных свойств инструмента, которая представлена на рисунке.
Укрупненная классификация способов воздействий
Основными блоками этой классификации являются механические, физические, химические и комбинированные способы воздействия. Однако наибольший интерес представляет блок комбинированных способов и их сочетаний. Это объясняется тем, что при сочетании двух или трех физических, механических или химических воздействий можно получить инновационно-технологические эффекты, обеспечивающие как создание новых качеств серийного абразивного инструмента, так и значительное повышение производительности и качества шлифованных изделий. Например, сочетание технологической подготовки инструмента к работе и применение СОЖ привело к интенсификации процесса шлифования, увеличению стойкости инструмента, устранению брака обработанных поверхностей в виде прижогов и других дефектов. В этом
направлении сделаны лишь первые шаги и заложены большие возможности для создания новых, более эффективных способов управляющих воздействий.
При поиске и выборе рациональных сочетаний способов, представленных на рисунке, необходимо, в первую очередь, учитывать физико-химические и структурномеханические свойства абразивного инструмента и обрабатываемой поверхности изделия. Перечень совмещаемых воздействий, их режимы, последовательность действия следует подбирать таким образом, чтобы они взаимно активизировали друг друга. Число сочетаемых способов воздействий в каждом конкретном случае следует соотносить с техническими возможностями производства, экономической целесообразностью и экологической безопасностью.
Критериями правильности выбранного сочетания способов воздействий на абразивный инструмент должны служить достигаемые показатели качества и производительности процесса шлифования.
Рассмотрим решение задачи выбора рациональных сочетаний и последовательности действий технологических воздействий на примере совершенствования серийного абразивного инструмента на керамическом связующем с целью повышения его эксплуатационных свойств за счет термообработки и импрегнирования, т.е. совмещения физического и химического способов воздействия.
Следует отметить, что эти способы воздействия давно и широко известны [1, 2], но их применение для повышения эксплуатационных свойств абразивного инструмента в каждом случае осуществлялось раздельно.
Так, применение только импрегнирования инструмента технологическими средами (серой, смолой - шеллаком и др.) не позволяло получить качественную пропитку инструмента, особенно мелкозернистого, на что указывают сами авторы этого способа [3], рекомендуя процесс пропитки одного и того же инструмента повторять несколько раз. Неудовлетворительное качество и неравномерность пропитки инструмента объясняются тем, что абразивный инструмент во время его хранения подвержен адсорбции влаги и различным загрязнениям органического и неорганического происхождения. Все это приводит к уменьшению капиллярного всасывания поровым пространством инструмента и неудовлетворительному качеству его импрегнирования, что подтверждено исследованиями [4].
Известны также способы повышения эксплуатационных свойств абразивного инструмента на керамическом связующем за счет термообработки и закалки в холодной среде (жидком азоте, воде и др.) [1, 5]. Недостатком этого способа является невозможность полной и равномерной закалки инструмента, особенно шлифовальных кругов с большой высотой, так как охлаждающая жидкость, соприкасаясь с нагретыми поверхностями инструмента, имеющими температуру выше температуры кипения, мгновенно превращается в пар и образует паровые подушки в порах инструмента. Из-за этого жидкость не полностью пропитывает инструмент и происходит неравномерная закалка по высоте. Кроме того, паровые подушки из-за газообразных продуктов кипения препятствуют созданию внутри инструмента градиента температуры для закалки. Вероятно, поэтому авторы способа рекомендуют такую закалку производить многократно. Другим существенным недостатком этого процесса является непродолжительный период сохранения повышенной стойкости и режущей способности инструмента, приобретенных при закалке, из-за отсутствия защиты от воздействия окружающей среды на инструмент. За короткое время происходит адсорбционное понижение прочности абразивных зерен и связки инструмента согласно эффекту Ребиндера, а если использовать такой инструмент с водными СОЖ, то свойства, приобретенные за счет закалки инструмента, теряются практически мгновенно, что также подтверждено нашими исследованиями.
Таким образом, приведенные выше примеры показывают, что заложенные потенциальные возможности технологических воздействий (физических и химических
способов) не полностью используются, если эти воздействия применяются раздельно, а не в комбинации и сочетаниях.
В связи с этим была поставлена задача подобрать последовательность действия совмещенных физико-химических воздействий и их режимы с учетом того, чтобы эти воздействия (термообработка и импрегнирование) дополняли и взаимно активизировали друг друга.
Последовательность действия совмещенных воздействий заключается в следующем. Первоначально термопрокалку инструмента проводят при температуре 450...500°С с выдержкой 20...30 мин в нагревательном устройстве, потом производят его закалку охлаждением на воздухе, а затем подвергают пропитыванию гидрофобным импрегнатором (расплавом серы) при равной температуре инструмента и импрегнатора [6].
Рассмотрим ниже, как выбранные технологические воздействия дополняют и взаимно активизируют друг друга. Как показали исследования, термическая обработка положительно влияет на механические свойства абразивного зерна и мостиков связки, но зона их контакта при этом может получить ослабление из-за термических напряжений. В то же время импрегнирование инструмента расплавом серы устраняет нежелательное действие термообработки, залечивая (цементируя) дефекты зоны контакта. В данном случае проявляется дополняющий друг друга эффект совмещения термообработки и импрегнирования.
При термопрокалке инструмента под воздействием повышенных температур происходит десорбция влаги и выгорание загрязняющих поверхность веществ, что активизирует процесс пропитывания инструмента импрегнатором за счет улучшения смачиваемости, повышения адгезии расплава серы и капиллярности черепка инструмента. Все это приводит к увеличению полноты и равномерности пропитывания инструмента импрегнатором (улучшаются его качественные показатели), а за счет активизации процесса пропитывания повышается производительность этого процесса.
Следует также отметить, что предлагаемая последовательность действия воздействий и их режимов приводит и к другим положительным эффектам. Так, закалка инструмента на воздухе, повышая прочность и самозатачиваемость абразивных зерен, не требует введения дополнительной операции по сушке инструмента, как это было бы при закалке в воде или другой охлаждающей жидкости. Кроме того, охлаждающая среда -воздух свободно проникает в поровое пространство инструмента. Это приводит к полной и равномерной закалке инструмента по всему его объему независимо от его высоты.
Охлаждение инструмента перед пропиткой до температуры технологической среды - импрегнатора устраняет нежелательные факторы, препятствующие свободному проникновению его в поры инструмента, которые могут возникнуть, если инструмент будет иметь температуру выше или ниже, чем раствор или расплав импрегнатора. Например, расплав серы имеет наименьшую вязкость при температуре в пределах 145.150°С. С повышением или понижением температуры от этого предела вязкость серы быстро повышается, что скажется на качестве пропитывания инструмента.
Использование импрегнатора, обладающего гидрофобными свойствами, при пропитывании закаленного абразивного инструмента позволяет защитить поверхности зерна и порового пространства от воздействия окружающей среды, особенно от влаги, и сохранить на длительное время приобретенные инструментом новые качества. Одновременно с этим полно и равномерно закаленный и пропитанный инструмент будет иметь постоянные показатели процесса шлифования, что скажется и на улучшении качества поверхности шлифованного изделия. Кроме того, такой инструмент, пропитанный гидрофобным импрегнатором, можно применять с водными СОЖ вместо керосиново-масляных, что значительно уменьшит стоимость и повысит экологичность шлифования.
Испытание серийных кругов 1111 250x25x75 25А16СМ26К5, импрегнированных по инновационной технологии, в производственных условиях ВПЗ-15 при шлифовании колец подшипников показало, что коэффициент шлифования таких кругов увеличивается в 1,41,5 раза, режущая способность - в 1,2-1,3 раза, скорость изнашивания кругов снижается в 1,2 раза, шероховатость поверхности (Яа) уменьшается примерно в 1,3 раза по сравнению с кругами, импрегнированными по заводской технологии.
Как видим, разработанная классификация способов воздействий на абразивный инструмент, инновационная методология комбинирования и совмещения этих способов между собой, установление критерия правильности выбранного их сочетания позволяют создавать новые эффективные способы повышения эксплуатационных свойств серийного абразивного инструмента применительно к требованиям и условиям конкретного производства.
Кроме того, разработанные инновационно-технологические принципы совершенствования абразивных инструментов позволяют выбирать наиболее рациональные способы и технологии регуляции и стабилизации свойств и показателей инструментов. Ниже приведены практические примеры такого выбора.
Известно, что применение высокопористых абразивных инструментов позволяет во многих случаях значительно повысить эффективность технологического процесса шлифования. Однако такие инструменты обладают существенным недостатком - низкой прочностью черепка. Для устранения этого недостатка можно использовать следующие инновационные способы и технологии модифицирования инструментов. Нововведение заключается в том, что изготовленный высокопористый инструмент подвергается импрегнированию такими растворами или расплавами, которые при взаимодействии с черепком инструмента образуют дополнительный упрочняющий каркас. В качестве импрегнаторов можно использовать жидкое стекло, серу и др.
Второй инновационный способ предусматривает при изготовлении инструмента использование абразивного зерна с оптимальным фракционным составом, включающим зерна как основного размера, так и мелкой фракции в определенном объемном соотношении с основной фракцией. Эффект применения такого наполнителя заключается в том, что зерна более мелкой фракции, находясь внутри черепка инструмента, выполняют роль упорядочивающих и армирующих частиц, а при выходе на поверхность абразивного инструмента выкрашиваются с образованием поверхностной поры. Такой абразивный инструмент будет обладать более высокой прочностью и большей однородностью структуры по сравнению с инструментом, изготовленным по существующей технологии. Для расчета размера и количества зерен мелкой фракции разработана и экспериментально подтверждена стохастическая модель пористого черепка абразивного инструмента [7].
Третий способ основан на запатентованном нами техническом решении [8]. Сущность решения заключается в том, что при изготовлении высокопористого инструмента, вместо выгорающих наполнителей используются наполнители, выполненные из абразивного и огнеупорного материала, который в свою очередь адгезионно-инертен к керамической связке. Например, при изготовлении электрокорундового инструмента в качестве материала частиц наполнителя могут использоваться: карбид бора, карбид кремния и др. При этом частицы наполнителя должны иметь равный размер и одинаковую форму с абразивными зернами. Это позволяет получать равномерное перемешивание абразивной массы при изготовлении инструмента, обеспечивая однородность его структуры и качество, а во время обжига инструмента отсутствует процесс образования дополнительных пор в теле его черепка, как в случаях, когда вводятся выгорающие наполнители. За счет этого повышается прочность черепка инструмента.
Выполнение частиц наполнителя из адгезионно-инертного материала к керамической связке позволяет увеличивать поровое пространство между абразивными зернами на рабочей поверхности инструмента во время шлифования за счет вырывания слабо закрепленных частиц наполнителя при незначительных нагрузках. Кроме того, 74
абразивные частицы наполнителя при выравнивании производят дополнительное резание поверхности детали, а после их удаления с поверхности инструмента, образовавшиеся за счет этого поры между абразивными зернами, способствуют лучшему расположению стружки, снижению засаливания и увеличению стойкости и производительности инструмента. Предлагаемый инструмент позволяет создавать в процессе шлифования рабочую поверхность, подобную рабочей поверхности высокопористого инструмента при сохранении прочности черепка исходного инструмента заданной структуры.
Испытания опытных образцов предлагаемых инструментов показывают, что режущая способность шлифовальных кругов увеличивается в 1,5-1,8 раза, скорость изнашивания снижается в 1,2-1,5 раза, стойкость кругов повышается в 1,5-2,0 раза по сравнению со стандартными кругами таких же структур и марок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коломазин В. М. Выбор охлаждающей среды и температуры закалки для специальной термической обработки абразивного инструмента на керамической связке /
B.М. Коломазин // Абразивы. 1975. № 5. С. 28-31.
2. Импрегнирование шлифовальных кругов: реф. обзор Волжского ф-ла ВНИИАШ. Волжский, 1982. 45 с.
3. А. с. № 366963 СССР. Способ повышения эксплуатационных свойств
абразивного инструмента / В.П. Островский, Д. Д. Ушаков.
4. Крюков С.А. Совершенствование процесса шлифования путем стабилизации структурно-механических свойств абразивного инструмента: дис. . канд. техн. наук /
C.А. Крюков. Волжский, 2000. 145 с.
5. Коломазин В.М. Исследование процесса шлифования труднообрабатываемых материалов абразивным инструментом, обработанным глубоким холодом /
B.М. Коломазин, Д.Ф. Шпотаковский // Тр. ВНИИАШ. 1973. № 14. С. 3-7.
6. Патент на изобретение № 2164857 В24 ДЗ/34, 3/14, 2001 г. Способ повышения эксплуатационных свойств абразивного инструмента / В. М. Шумячер, В. И. Анохин,
C.А. Крюков.
7. Мироседи А.И. Повышение эффективности шлифования путем совершенствования структуры инструмента с учетом результатов стохастического моделирования: дис. ... канд. техн. наук / А.И. Мироседи. Волжский, 2007. 158 с.
8. Патент на изобретение № 2215643 В24 ДЗ/18, 2003 г. Абразивный инструмент / В. М. Шумячер, В.А. Назаренко, С. А. Крюков, И. В. Дуличенко.
Шумячер Вячеслав Михайлович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология обработки и производства материалов», директор Волжского института строительства и технологий (филиала)
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Крюков Сергей Анатольевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения и стандартизация» Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Shumyacher Vyacheslav mikhailovich -
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Head of the Department of «Processing Technologies and Production of Materials», Head of Volga Institute of Building and Technology (branch) of Volgograd University of Building and Architecture
Kryukov Sergey Anatoliyevich -Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor of the Department of «Technology of mechanical engineering and standardization» of Volga Institute of Civil Engineering and Technologies (branch) of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering
Славин Андрей Вячеславович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология обработки и производства материалов» Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Slavin Andrey Vyacheslavovich -
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor
of the Department of «Technology
of mechanical engineering and standardization»
of Volga Institute of Civil Engineering
and Technologies (branch)
of Volgograd State University
of Architecture and Civil Engineering
Мироседи Александр Ильич -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Технология обработки
и производства материалов»
Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Mirosedi aleksandr ilyich -
Doctor of Technical Sciences,
Associate Professor
of the Department of «Processing
Technologies and Production of Materials»
of Volga Institute of Building
and Technology (branch)
of Volgograd University of Building
and Architecture
Статья поступила в редакцию 03.02.10, принята к опубликованию 23.09.10
