CC BY
89
Машиностроение. Строительство. Металлообработка
УДК 621.923.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ АБРАЗИВНЫМИ ЛЕНТАМИ С САМОЗАТАЧИВАЮЩИМСЯ ЗЕРНОМ Б.Н. Хватов1, Д.В. Зубков2, А.А. Родина1
Кафедра «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ФГБОУВПО «ТГТУ» (1); ant.rodina1209@yandex.ru;
ОАО «Тамбовский завод “Комсомолец " им. Н.С. Артемова», г. Тамбов (2)
Представлена членом редколлегии профессором Ю.В. Воробьевым
Ключевые слова и фразы: абразивная лента; производительность; самозатачивающееся зерно; шероховатость поверхности; шлифование.
Аннотация: Приведены результаты лабораторных и производственных исследований производительности и шероховатости поверхности при шлифовании абразивными лентами с самозатачивающимся зерном ведущих брендов в области шлифованных материалов и инструментов компаний VSM AG (Германия) и 3М (США). Полученные результаты позволили выстроить технологический ряд применяемых лент на производственном оборудовании ОАО «Тамбовский завод “Комсомолец” им. Н.С. Артемова» по обеспечению шероховатости при шлифовании заготовок для емкостного оборудования пищевой промышленности из листового проката до технически регламентируемого параметра Ка = 0,32 мкм.
При разработке процессов и оборудования для ленточного шлифования крупных поверхностей, площадь обработки которых достигает нескольких десятков квадратных метров, важным является изыскание условий, позволяющих обеспечить высокую производительность обработки в пределах запаса прочности ленты и виброустойчивости оборудования.
Существенным фактором в ограничении производительности шлифования абразивными лентами является прогрессирующее их притупление от времени шлифования (рис. 1, кривая 2) [1]. Относительное притупление инструмента, определяемое как отношение суммарной величины площадок износа абразивных зерен к площади, на которой они расположены, может достаточно просто контролироваться в производственных условиях, например по оттиску рабочей поверхности инструмента. На рисунке 1 приведен график изменения относительного притупления ленты 14А50П (кривая 1), полученный при шлифовании стали 06Х12Н3Д с постоянным усилием прижима Ру = 100 Н путем непосредственного измерения площадок износа одной и той же группы зерен (Жреж = 250 зерен) на микроскопе УИМ-21. Приведенная на рисунке 1 кривая 2 графика изменения глубины съема при ленточном шлифовании показывает, как по достижении определенного времени т = Тф, глубина съема достигает своего минимального значения, изменение которого во времени становится несущественным, и дальнейший про-
Рис. 1. Изменение относительного притупления ленты 14А50П (1 - экспериментальное; 3 - расчетное) и глубины шлифования (2) в процессе обработки при шлифовании стали 06Х12Н3Д с роликом твердостью НЗ 50 по Шору (Ру = 2,5 Н/мм; юи = 8 м/мин)
цесс шлифования является неэффективным. Значение времени т = Тф представляет собой физический период стойкости ленты и является индивидуальным показателем для контактирующей пары «лента - ролик» с обрабатываемым материалом.
Как видно из рисунка 1, относительное притупление ленты стремится в своем пределе к некоторой установившейся величине /(Д)пр, изменение которой от времени обработки становится пренебрежимо мало, то есть/(д) </(д)пр, где/(д)пр -предельно допустимое установившееся притупление ленты.
Значения величины /(Д)пр для разных лент можно установить аналитически. Исходя из прочности закрепления зерна в связке инструмента, профессор С.Н. Корчак [2] считает, что предельно допустимая величина размерного износа абразивных зерен Д должна быть не более величины их выступания над связкой
Д = 3 dз. Принимая форму зерна в виде эллипсоида с отношением осей 0,7:1,0 [2],
можно показать, что теоретически возможная величина притупления для однослойных лент с плотностью нанесения абразивных зерен, соответствующей расстоянию между ними 1ф = dз, составит /(д)пр = 0,7. В реальных условиях значения /(д)пр намного меньше.
Знание величины предельного притупления ленты дает возможность математически выразить зависимость ее относительного притупления от времени обработки за период стойкости в виде показательной функции
/(Д)= /(Д)пр 1 - е-ат), (1)
где а - показатель, характеризующий интенсивность износа материала абразивного покрытия ленты; т - время шлифования, мин.
На рисунке 1 такая зависимость для ленты 14А50П с экспериментально определенными значениями /(д)пр = 0,11 и а = - 0,1 имеет вид
/(д) = 0,11(1 - е-ат) (2)
и представлена кривой 3.
Методов правки абразивного покрытия ленты с однослойной насыпкой зерен на настоящее время не разработано, поэтому важным является изыскание условий и режимов шлифования, позволяющих продлить время активной режущей способности ленты.
Применение рифленых и более твердых роликов может являться в некоторой степени средством восстановления режущей способности изношенных лент. На рисунке 2 показано, как замена гладкого ролика (Ж 50 по Шору) на рифленый с соотношением П = а/Ь = 2, где а и Ь - ширина канавки и выступа рифлений ролика соответственно, дает возможность повысить съем металла изношенной лентой 14А25П и довести период ее стойкости до 100 мин; замена ролика в конце обработки на более твердый (НБ 90 по Шору) позволило увеличить срок службы ленты до 150 мин, то есть в 2,5 раза по сравнению с первоначальным. Однако из-за значительных затрат времени на смену контактных роликов этот прием не дает значительного выигрыша в производительном шлифовании крупных поверхностей.
Существенным достижением в области разработки и производства абразивного инструмента явился выбор тенденции создания самозатачивающегося зерна [3].
На рисунке 3 показано семейство абразивного материала, разработанного одним из ведущих брендов в области шлифовальных материалов и инструмента, фирмы УБМ Лв (Германия) [4-6].
Зерно электрокорунда циркониевого 2Л (рис. 3, а), запатентованного в 1972 г. фирмой №Поп (США) под названием N2 Л1иМиш [3], состоит из двуокиси циркония 2г02 (до 40 %) и оксида алюминия Л12О3. Этот материал, получаемый спеканием порошка зернистостью до 1 мкм, а не выплавкой в электропечах, как обычно, образуют конгломераты зерен с пластинчатой структурой с большим количеством режущих кромок. Во время процесса шлифования сначала изнашивается более мягкий 2гО2, потом обламывается хрупкий Л12О3. Таким образом, на зерне постоянно образуются новые режущие кромки. Большая гамма абразивных лент с циркониевым электрокорундом фирмы 3М (США) нашло широкое приме-
t, мм
т, мин
Рис. 2. Изменение режущей способности ленты 14А25П в процессе обработки от твердости и степени разреженности рифлений контактного ролика:
1 - ролик твердостью НБ 50 по Шору, П = 1; 2 - тот же ролик, П = 2;
3 - ролик твердостью НБ 90 по Шору, П = 2
t
к
г)
Рис. 3. Принципы самозатачивания зерна абразивных лент VSM:
а - циркониевый электрокорунд (ZA); б - керамическое зерно (CER); в - компактное зерно (гранулят) (СОМ); г - зерно с активным покрытием (TOP SIZE)
нение в отечественной промышленности при шлифовании крупных поверхностей в гидротурбостроении, судостроении, при шлифовании корпусного оборудования в пищевой и нефтегазовой промышленности.
На рисунке 4 приведены графики изменения удельного съема металла во времени при шлифовании гидротурбинной стали 06Х12Н3Д лентами из циркониевого электрокорунда (кривые 1, 3) и лучшими на то время (1980-е гг.) лентами производства «Запорожского абразивного комбината» (Украина), изготовляемых по лицензии фирмы Klingspor (ФРГ) (кривая 2) [7].
Как видно из приведенного рисунка, производительность съема металла при шлифовании лентой Z36 (соответствует зернистости 50 по ГОСТ 3647-81) (кривая 1) при равных усилиях шлифования (Ру = 1000 Н) в среднем в 4 раза выше, чем при шлифовании лентой аналогичной зернистости Р40, производимой по лицензии фирмы Klingspor (кривая 2). Характерным при этом является постоянное возобновление режущих свойств лент Z36 во времени шлифования, о чем свидетельствуют большие амплитуды изменения производительности съема на графике 1 по сравнению с пологим его характером на графике 2 и что указывает на работу
зерен ленты в режиме самозатачивания. Q ■ 102, мм3/мин Особенно становится заметным режим самозатачивания с соответствующим увеличением производительности съема при увеличении прижима ленты Ру с 1000 до 1500 Н (кривая 3).
Принцип самозатачивания керамического зерна CER (см. рис. 3, б) заключается в чрезвычайно высокой твердости и хрупкости связей кристаллитов в основе конгломерата керамического зерна. При притупления зерна его составляющие под действием возросших сил резания разрушаются, обнажая новые режущие кромки.
В основе шлифовальных материалов серии «компактное зерно» (СОМ)
(см. рис. 3, в) находится гранулят, который благодаря своей особой структуре всегда выглядит крупнее, чем обычные абразивные материалы. Каждое зерно гранулята является твердой единицей, в которой соединены между собой корунд AI2O3 или карбид кремния SiC.
Под действием сил резания, возникающих при шлифовании, затупившиеся абразивные зерна вырываются из этой связки и в результате этого освобождаются новые зерна с «острыми» вершинами.
Дополнительное покрытие базового шлифовального материала поверхностно-активным слоем (продукция серии TOP SIZE, см. рис. 3, г) позволяет многократно повысить производительность съема материала при шлифовании нержавеющих и жаропрочных сталей при значительном снижении температуры шлифования, что позволяет избежать структурных изменений в металле поверхностного слоя деталей.
На рисунке 5 показан график пооперационного снижения шероховатости поверхности при шлифовании лентами VSM серии «компактное зерно» (СОМ) эллипсоидных днищ пищевых резервуаров на производственном оборудовании ОАО «Тамбовский завод “Комсомолец” им. Н.С. Артемова».
Как видно из приведенного графика, пооперационное снижение зернистости используемых лент с Р60, Р80 до Р120 (зернистость, соответственно, 32, 20, 10 по ГОСТ 3647-81) приводит к снижению исходной шероховатости Ra = 6,3 мкм до Ra = 3,65 мкм после первого прохода (по среднему значению), Ra = 2,41 мкм после второго прохода и Ra = 1,9 мкм после третьего прохода шлифования. Требуемый уровень шероховатости по техническим условиям на изготовление изделия Ra = 0,32 мкм достигается дополнительными двумя проходами лентами из абразивсодержащего полотна Р180 и Р360 (зернистости 8 и М40 по ГОСТ 3647-81) производства 3М (США).
Т, мин
Рис. 4. Изменение производительности съема металла при шлифовании стали 06Х12Н3Д лентами из циркониевого электрокорунда (1, 5) и электрокорунда обыкновенного (2) [7]
Таким образом, резюмируя результаты проведенных исследований производительности и качества обработки лентами с самозатачивающимся абразивным зерном, можно отметить следующие преимущества этого материала:
- высокая и равномерная производительность съема материала;
- непрерывное самозатачивание;
- длительный срок службы ленты;
- равномерная и стабильная шероховатость поверхности на протяжении всего срока службы ленты;
- низкая температура шлифования;
- менее частая смена лент при обработке.
Выбор приоритета из приведенных преимуществ определяется предприятием потребителя исходя из цены затрат и качества обработки в каждом конкретном случае.
Список литературы
1. Хватов, Б.Н. Анализ механики ленточного шлифования / Б.Н. Хватов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 1996. - Т. 2, №4. - С.454-461.
2. Корчак, С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей / С.Н. Корчак - М. : Машиностроение, 1974. - 278 с.
3. Эриксон, Л.Е. Семейство абразивных материалов на основе двуокиси циркония / Л.Е., Эриксон, Д.Дж. Беннетт // Проспект фирмы МОЯТОМ (США). - М., 1990. - С. 3.
4. Высокотехнологичные шлифовальные материалы У5М. Самозатачивающаяся продукция на основе корунда циркония // Проспект фирмы У8М / Фирма ГЕРТНЕР Сервис ГмбХ РОССИЯ. - М., 2011. - С. 4.
5. Высокотехнологичные шлифовальные материалы У8М. Продукция на основе самозатачивающегося компактного зерна // Там же. - С. 4.
6. Высокотехнологичные шлифовальные материалы У5М. Применение для обработки металла // Там же. - С. 4.
7. Соколова, Л. С. Шлифование абразивными лентами с постоянной силой прижима / Л.С. Соколова. - М. : Компания Спутник, 2005. - 146 с.
Research into Grinding Rate of Abrasive Belt with Self-Sharpening Grain
B.N. Khvatov1, D.V. Zubkov2, A.A. Rodina1
Department “Mechanical Engineering Technology,
Metal Cutting Machines and Tools”, TSTU (1); ant.rodina1209@yandex.ru;
OAO «Tambov Plant “Komsomolets”» named after N.S. Artyomov», Tambov (2)
Key words and phrases: abrasive belt; grinding; performance; self-sharpening grain; surface roughness.
Ra, мкм
Зернистость
Рис. 5. Пооперационное снижение шероховатости поверхности при шлифовании лентами с самозатачивающимся зерном фирмы VSM (* - в составе абразивсодержащего полотна)
Abstract: The findings of laboratory and industrial studies of grinding rate of abrasive belt with self-sharpening grain of leading brands specializing in grinding materials and tools including VSM AG (Germany), 3M (USA) have been described. The obtained results enabled to rate the belts applied in production facilities of OAO «Tambov plant “Komsomolets” named after N.S. Artyomov» to ensure rough grinding of work pieces for food storage equipment of sheet metal to the technically regulated parameters Ra = 0,32 mkm.
Forschung der Produktivitat des Schleifens von den Schleifbanden mit dem selbstabschliffenden Korn
Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse der Labor- und
Produktionsuntersuchungen der Produktivitat und der Unebenheit der Oberflache beim Schleifen von den Schleifbanden mit dem selbstabschliffenden Korn der fuhrenden Handelsmarken auf dem Gebiet der geschliffenen Materialien und der Instrumente der Firmen VSM AG (Deutschland) und 3М (USA) angefuhrt. Die bekommenen Ergebnisse haben zugelassen, die technologische Reihe der verwendeten Bande auf der Produktionsausrustung der OAG “Das Werk “Komsomolez” des Nahmens N.S. Artjomow Tambow” nach der Versorgung der Unebenheit beim Schleifen der Ausgangsmateriale fur die kapazitive Ausrustung der Nahrungsproduktion aus dem Blattverleih bis zum technisch reglementierten Parameter Ra = 0,32 mkm aufzubauen.
Etude de la productivity du polissage par les bandes abrasives a polir avec un grain auto-taillant
Resume: Sont cites les resultats des etudes de laboratoire et d’industrie de la productivity et de la rugosite de la surface lors du polissage par les bandes abrasives a polir avec un grain auto-taillant des grandes firmes du secteur VSM AG (Allemagne), 3M (USA). Les resultats regus ont permis de construire une serie technologique des bandes appliquees de l’equipement industriel de la SARL «Usine de Tambov “Коmsomolets” qui porte le nom de N.S. Artemov» pour l’assurance de la rugosite lors du polissage des ebauches pour l’equipement capacitif de l’industrie alimentaire a partir du tole jusqu’au parametre technique reglemente Ra = 0,32 mkm
Авторы: Хватов Борис Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; Зубков Дмитрий Владимирович - главный технолог, ОАО «Тамбовский завод “Комсомолец” им. Н.С. Артемова», г. Тамбов; Родина Антонина Александровна - ассистент кафедры «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Ванин Василий Агафонович - доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
