CC BY
20НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2010, №1
УДК 621.922
Исследование температурных закономерностей процесса шлифования алмазным абразивным инструментом на основе СВМПЭ
ЕЮ. Шиц, ЕС. Семенова, ВВ. Корякина
Проведено исследование теплового состояния трибосистемы «композиционный алмазосодержащий материал (КАМ) на основе СВМПЭ - обрабатываемый материал». Установлено, что температуры плавления и кристаллизации КАМ на основе СВМПЭ значительно ниже температур плавления и кристаллизации ненаполненного СВМПЭ. Показано, что работу инструментом следует вести в среде сма-зочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), что обеспечивает снижение прочностных характеристик, достаточное для работы инструмента в режиме самозатачивания. В условиях сухого трения температура в зоне контакта достигает температуры плавления композита, что приводит к его частичному либо полному разрушению.
Ключевые слова: фазовые переходы, композиционный алмазосодержащий материал.
The study of the heat state of the tribosystem «composite diamond-containing material (CDM) on the UHMWPE base - processed material» is carried out. It is established that melting and crystallization temperatures of CDM on the UHMWPE base are considerably lower than that of the unfilled UHMWPE. It is shown that one should work with the tool in the medium of the lubrication-cooling liquid, which provides lowering of strength characteristics sufficient for tool application in the self-sharpening regime. In the conditions of dry friction the temperature in the contact zone reaches the melting temperature of the composite, which causes its partial or complete destruction.
Key words: phase transitions, composite diamond-containing material.
Введение
Применение алмазного инструмента на финишных операциях доводки, суперфиниширования, хонингования, шлифования деталей машин способствует существенному повышению качества поверхности. Однако полная замена абразивной обработки конструкционных материалов высокопроизводительным алмазным инструментом сдерживается из-за недостаточной экономичности процесса, обусловленной низкой эффективностью использования потенциально высоких режущих свойств алмаза [1-3].
Для достижения наибольшей эффективности процесса алмазного шлифования необходимо установить оптимальные условия эксплуатации кругов. Достоверная оценка оптимальных условий эксплуатации и потенциальных возможностей абразивных кругов возможна при исследовании физических явлений, протекающих в зоне шлифования, которые позволят установить механизм износа и физику работы алмазных кругов. Все физические явления, протекающие в зоне контакта, определяются, в свою очередь, условиями взаимодействия круга с обрабатываемым материалом,
ШИЦ Елена Юрьевна - к.т.н., зав. лаб. ИПНГ СО РАН, 39-06-28, in.chtz@ipnd.ysn.ru; СЕМЕНОВА Евгения Спартаковна - м.н.с. ИПНГ СО РАН; КОРЯКИНА Владилина Владимировна - инж.-исследователь ИПНГ СО РАН.
например, тепловыми и динамическими явлениями, степенью деформации, условиями трения, характером разрушения и т.д. [4]
Таким образом, данная статья посвящена исследованию системы «композиционный алмазосодержащий материал (KAM) на основе СВМПЭ - обрабатываемый материал» с точки зрения температурных критериев процесса абразивной обработки.
Объекты и методы исследования
Для проведения исследований использовались композиционные алмазосодержащие материалы на основе СВМПЭ, содержащие в своей основе 30 мас.% порошков природных алмазов (ППА), зернистостью 125/100 мкм, полученные по технологии горячего прессования [5, 6].
Исследование температур фазовых переходов KAM на основе СВМПЭ осуществляли методом ДСК на приборе DSC 204 HP/1/G Phoenix® фирмы NETZSCH [7]. Режимы сканирования исследуемых образцов приведены в табл. 1.
Испытания образцов KAM проводились в 5 циклов: три цикла нагрева и два цикла охлаждения.
Для измерения температур, возникающих в зоне контакта «KAM - обрабатываемый материал», использовался бесконтактный высокочувствительный инфракрасный радиометр Thermo Tracer TH102/WV [8].
Исследование надмолекулярной структуры поверхностей низкотемпературного скола образцов
Таблица 1
Параметр сканирования Значение параметра сканирования
Начальная температура, °С 20-30
Скорость нагревания, °С/мин 5
Скорость охлаждения, °С/мин 2
Максимальная температура, °С 225
Давление в камере, атм 1 (гелий)
Таблица 2
Значения интервалов и температур фазовых переходов образцов СВМПЭ и КАМ на его основе
Параметр фазового перехода СВМПЭ + 30 мас.% ППА (125/100 мкм) СВМПЭ
Т С 135,3 163,1
Т С А крист? ^ 121,2 129,4
Режимы сканирования исследуемых образцов методом ДСК.
СВМПЭ и КАМ на его основе осуществляли на растровом электронном микроскопе XL-50 фирмы Phillips. Съемку осуществляли в режиме вторичных электронов.
По микрофотографиям были рассчитаны средние размеры надмолекулярных образований полимерного связующего, согласно методике линейного анализа, применяемой при оценке размеров зерен металла в количественной металлографии [9].
Исследование прочностных характеристик КАМ при повышенных температурах проводилось на универсальной разрывной машине UTS-2 в соответствии с ГОСТами 4651-82 и 9550-81. Для обеспечения необходимой температуры испытания на машину устанавливалась термокамера. Время выдержки образца при заданной температуре устанавливалось из расчета не менее 20 мин на 1 мм его толщины (ГОСТ 25.601-80).
Результаты и обсуждение
Трение - типичный диссипативный процесс, при котором происходит превращение большей части механической энергии (по имеющимся экспериментальным данным до 90-95%) в тепло. Тепловое состояние трибо-контакта часто является решающим фактором обеспечения работоспособности абразивного инструмента, так как величина температуры фрикционного контакта оказывает значительное влияние на параметры трения и износа. Кроме того, учитывая низкую термостойкость полимерных материалов, в том числе СВМПЭ, следует не допускать достижения рабочим слоем инструмента на органическом связующем некоторой критической температуры (например, температуры плавления), так как это приведет к резкому падению прочностных характеристик инструмента вплоть до его разрушения [10].
Поэтому нами были проведены исследования, устанавливающие закономерности фазовых превращений КАМ, характер генерируемых темпе-
ратурных полей и их влияние на условия эксплуатации, а также на прочностные характеристики алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ.
Для исследования температур фазовых переходов (Т - температура плавления; Т - темпера-
4 пл 1 J 1 7 крист
тура кристаллизации) СВМПЭ и КАМ использовался метод ДСК (табл. 2).
Известно [11, 12], что введение в полимерное связующее, как на основе термопластичных полимеров (ПТФЭ), так и на основе термореактивных связующих (Б1, Б2, Б3, Б8, БР и т. д.), природных алмазных порошков приводит к повышению теплопроводности композита в 1,5-2 раза. Кроме того, размеры сферолитных образований СВМПЭ в КАМ в 2-4 раза меньше, чем в нена-полненном полимере (табл.3). Взаимное влияние указанных факторов обусловливает снижение температуры плавления алмазосодержащего материала на основе СВМПЭ более чем на 15% (табл.2).
Видно, что температура кристаллизации образцов КАМ на 14,1°С ниже температуры их плавления. Это связано с тем, что в ходе термобарического процесса получения композита в полимере происходит формирование устойчивой надмоле-
Таблица 3
Надмолекулярные образования СВМПЭ и КАМ на его основе
Образец
СВМПЭ
СВМПЭ+30 мас.%
ППА (125/100 мкм)
Микрофотография поверхности скола
Средний линейный размер
сферолитных образований, мкм
300
80
шиц
,, СЕМЕНОВА, КОРЯКИНА
104.7 94.7 84.7 74.7 64.7 54.7 44.7 34.7
L 24.7
Г «0.0
73.0 66.0 59.0 52.0 45,0
зе.о
31.0 L 24.0
Температуры, возникающие при эксплуатации алмазного абразивного инструмента на основе СВМПЭ: а - сухое трение; б - трение в среде воды
кулярной структуры, которая при плавлении частично сохраняется. Поэтому процесс кристаллизации КАМ требует меньших энергетических затрат и носит характер восстановления надмолекулярной структуры полимера, что и приводит к снижению температуры кристаллизации.
Таким образом, показано, что алмазосодержащий композит на основе СВМПЭ характеризуется устойчивой структурой, которая имеет тенденцию к сохранению своей целостности даже при повышенных температурах.
Как было отмечено, для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств алмазных кругов необходимо не допустить достижения рабочим слоем инструмента температуры плавления. Поэтому были проведены исследования температур, возникающих при эксплуатации образца алмазосодержащего инструмента на основе СВМПЭ.
Установлено, что в условиях сухого трения температура в зоне контакта быстро (2-3 мин.) достигает значения 120°С (рисунок, а), после чего происходит катастрофическое разрушение абразивного инструмента. При работе инструмента в среде смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), в качестве которой использовалась вода, температура в зоне контакта достигает 40°С, дальнейшего подъема температуры и разрушения алмазосодержащего материала не происходит (рисунок, б).
Поскольку эксплуатация инструмента в условиях сухого трения приводит к существенному повышению температуры в зоне контакта вплоть до температуры плавления композита, работу алмазосодержащим инструментом на основе СВМПЭ необходимо осуществлять в среде СОЖ.
Известно, что физико-механические свойства связок, как и самого алмаза, являются важнейшими факторами, определяющими прочность закрепления и устойчивость алмазного зерна в рабочем
слое, режущую способность, производительность, износостойкость алмазных кругов и качество обработки изделий [11].
Так как шлифовальные круги работают в условиях ударной, циклически повторяющейся нагрузки и, как показано, испытывают интенсивное тепловое воздействие в зоне резания, были проведены исследования прочностных характеристик КАМ на основе СВМПЭ при сжатии и повышенных температурах.
Исследование модуля упругости (Е) и напряжения при 25%-й относительной деформации сжатия (у25) алмазно-абразивной композиции на основе СВМПЭ показало, что повышение температуры до 40°С приводит практически к троекратному снижению исследуемых показателей (табл.4).
Известно, что одним из основных требований, предъявляемых к связующему абразивного инструмента, является его способность обеспечивать работу инструмента в режиме самозатачивания. По мере затупления алмазных зерен связка должна изнашиваться, что будет способствовать вскрытию режущих граней новых зерен и достижению высокой режущей способности и производительности инструмента [11].
Таблица 4
Зависимость прочностных характеристик КАМ на основе СВМПЭ от температуры
Температура, °С Е, МПа а25, МПа
20 419,1 44,5
40 124,9 18,1
60 115,4 16,6
80 102,2 11,0
100 97,2 7,3
120 61,9 10,1
По-видимому, снижение прочностных характеристик КАМ на основе СВМПЭ в 2-3 раза при нагревании до 40°С обеспечивает работу инструмента в режиме самозатачивания, что приводит к повышению производительности процесса шлифования.
При повышении температуры до 60°С и выше происходит снижение прочностных характеристик в 4-6 раз, что является недопустимым при эксплуатации абразивного инструмента, так как приводит к его разрушению.
Выводы
Таким образом, установлено, что температуры фазовых переходов КАМ на основе СВМПЭ ниже температур фазовых переходов ненаполненного СВМПЭ. Показано, что алмазосодержащий композит на основе СВМПЭ обладает устойчивой структурой, надмолекулярная целостность которой не нарушается даже при повышенных температурах.
Эксплуатацию алмазосодержащего инструмента на основе СВМПЭ рекомендовано осуществлять при температурах, не превышающих значений 20-40°С, так как именно такой температурный интервал способствует реализации принципа самозатачивания. Повышение температуры до 60°С и выше приводит к снижению прочностных характеристик инструмента вплоть до его частичного или полного разрушения. Учитывая уникальную химическую инертность компонентов композита, для обеспечения и поддержания установленных температурных параметров эксплуатации, в качестве СОЖ можно применять как воду, так и другие, в том числе агрессивные, маслосодержа-щие охлаждающие жидкости.
Литература
1. Мишнаевский Л.Л., Федосеев О.Б. О механизме износа зерен шлифовальных кругов // Синтет. алмазы.
- 1979. - № 1. - С. 34-38.
2. Синтетические алмазы в машиностроении / Под ред. В.Н. Бакуля. - 1976. - 352 с.
3. Гробченко А.И. Расширение технологических возможностей алмазного шлифования. - Харьков: Вища шк. Изд-во при Харьк. ун-те, 1985. - 184 с.
4. Семко М.Ф., Узунян М.Д., Сизый Ю.А., Пивоваров М.С. Работоспособность алмазных кругов - Киев: Техника, 1983. - 95 с.
5. Шиц ЕЮ., Семенова Е.С. Разработка и исследование алмазных абразивных инструментов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) // Научно-инновационный потенциал Республики Саха (Якутия): сб.научных трудов Первого инновационного форума РС(Я)/ Под.ред. Н.В.Бекетова, Н.Е.Егорова. -СПб.; Якутск: НПК «Рост», 2007. - С. 390.
6. Шиц ЕЮ., Семенова Е.С. Разработка и исследование алмазных абразивных материалов на основе СВМПЭ и порошков природных алмазов // Поликомт-риб-2007: тезисы докладов Международной научно-технической конференции. - Гомель: ИММС НАНБ, 2007. - С. 91.
7. Техническая документация к прибору DSC 204 Phoenix.
8. Техническая документация к прибору Thermo Tracer TH102/WV.
9. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. - С.25-30.
10. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трибология. Принципы и приложения. - Гомель: ИММС НАНБ, 2002. - 310 с.
11. Шиц ЕЮ. Исследование и разработка полимерных композиционных материалов с использованием природных алмазных порошков: автореф. дис. ... к.т.н.
- Якутск, 2000. - 21 с.
12. Захаренко И.П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента. - Киев: Наукова думка, 1981.
- 130 с.
