CC BY
5МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
УДК 621.922.025
ОТРЕЗНЫЕ ШЛИФОВАЛЬНЫЕ КРУГИ ИЗ ЗЕРЕН С КОНТРОЛИРУЕМОЙ ФОРМОЙ И ОРИЕНТАЦИЕЙ
В.А. КОРОТКОВ, канд. техн. наук., ст. преподаватель,
КузГТУ, г. Кемерово
650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28, Кузбасский государственный технический университет, e-mail: msikuzstu@mail.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рассматривается цикл исследований по влиянию подбора формы и упорядочения ориентации зерен с целью повышения режущих и физико-механических свойств отрезных шлифовальных кругов.
The research on the influence of form selection and grain orientation ordering on the increase of cutting and physical and mechanical properties of cutting grinding wheels is considered.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ОТРЕЗНЫЕ ШЛИФОВАЛЬНЫЕ КРУГИ, ФОРМА И ОРИЕНТАЦИЯ ЗЕРНА, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
Практика применения и анализ эффективности использования отрезных шлифовальных кругов показывают, что у них далеко не полностью задействованы имеющиеся потенциальные возможности. Главной причиной такого состояния является отсутствие упорядоченной и благоприятной геометрии их микрорежущих элементов - зерен. Дело в том, что зерна, находящиеся в отрезном круге и изготовленные традиционным способом, т.е. путем дробления и измельчения выплавленного слитка абразива, имеют произвольную форму и расположены в теле инструмента хаотично. Как следствие, только небольшая часть из общей массы зерен в круге приобретает в процессе его изготовления геометрию, способствующую эффективному срезанию стружек. Неупорядоченная форма и ориентация зерен содействуют также образованию дефектов в структуре круга или формируют предрасположенность к возникновению таких дефектов. В результате снижаются разрывная прочность и допустимая скорость работы круга.
В этом контексте подбор формы и упорядочение ориентации зерен открывают перспективу повышения режущих и физико-механических свойств данных инструментов. Цикл исследований, проведенных в этом направлении, подтвердил, что это действительно так.
На начальном этапе исследований изучались встречающиеся разновидности формы зерен и оценивалось влияние этого параметра на размер площади поверхности зерен, их количество в единице объема, интенсивность износа и прочность. Для решения этих задач разработано специальное программное обеспечение для
ЭВМ, позволяющее оценивать форму зерен в трехмерном пространстве, устанавливать взаимосвязь формы и площади поверхности зерен, исследовать износ отдельных зерен в моделях шлифовальных кругов из оптически прозрачной связки (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2006613051, № 2007612468, № 2008610817). Прочность свободных шлифовальных зерен с разной формой и ориентацией исследовалась на автоматической установке с учетом критерия хрупкого разрушения абразивных материалов. В результате установлено:
- чем больше коэффициент формы (Хф) зерен (т.е. чем больше они приближаются к игольчато-пластинчатым разновидностям), тем большей площадью поверхности (5) они обладают:
£ = -387800+70880-Хф+35720 ; (1)
ф вп' V '
- чем больше Хф, тем большее число зерен N находится в одинаковом объеме инструмента:
N = 1876,50-е 0Д5Хф; (2)
- чем больше Хф, тем меньшее усилие Р требуется для их разрушения; причем зерна с тангенциальной ориентацией (расположенные перпендикулярно действующей нагрузке, 0 = 0°) разрушаются при большем усилии сжатия, чем зерна с радиальной ориентацией (0 = 90°):
для 0 = 0°: Р = 495,88-е -0,94Хф; (3)
для 0 = 90°: Р = 841,21-е
-1,25-j
(4)
- длительнее всего (Т) в круге работают зерна с малыми значениями Хф (изометрические зерна) и зерна с тангенциальной ориентацией:
№ 1 (46) 2010 29
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
для 0 = 0°: Т = 3,99 - 1,14-Ьп(Кф); (5) © = 90°: Т = 4,10 - 1,69-Ьп(Кф). (6)
Полученные результаты подтвердили исходную мысль о том, что форма и ориентация зерен могут оказывать значительное влияние на их эксплуатационные характеристики. Поэтому на следующем этапе исследований разрабатывались новые конструкции отрезных кругов из зерен с контролируемой формой и ориентацией. При этом для разделения шлифовальных зерен по признаку формы использован вибрационный метод, а для ориентации зерен - электростатический эффект (заявка на изобретение № 2008105086).
Изготовленные партии экспериментальных отрезных кругов тестировались по ряду наиболее важных эксплуатационных показателей на специальных испытательных стендах. В качестве сравнительного эталона использовались стандартные отрезные круги, имевшие аналогичную характеристику и изготовленные в тех же условиях, что и экспериментальные круги (для обеспечения достоверности и объективности получаемых результатов).
Испытания экспериментальных отрезных кругов показали:
- за счет использования зерен с игольчато-пластинчатой формой, располагаемых в зоне у посадочного отверстия отрезных кругов, можно повысить их разрывную прочность и, как следствие, допустимую скорость работы на 12...30 % (в зависимости от наличия армирующих элементов); за счет этого повышается на 27 % режущая способность кругов ((м) и коэффициент шлифования (Кш) на 11 % при некотором снижении общих энергозатрат (Жэф), теплонапряженности процесса резания и уменьшении на 21.33 °С прогрева металла заготовок (0, уменьшении размеров зоны поверхностного упрочнения металла заготовок:
.2,12
Q = 0,0045-V2 K = 0,1053-V-0,4307;
ш ' ' '
0,02- V
W . = 136,25-е
э ф '
t = 408,64-е
-0,34-L
(7)
(8) (9)
(10)
Q = 4,08-е 0'45КФ;
м
K = 21,32КФ
ш ф
-1,25
(11) (12)
W ф = 65,09-е
ф
- круги из игольчато-пластинчатых зерен по сравнению со стандартными кругами обладают на 17 % более высокой режущей способностью (м при некотором снижении или паритете общих э нергозатрат, им свойственно снижение теплонапряженности процесса резания, уменьшение зоны поверхностного упрочнения и прогрева (на 9. 18 °С) металла заготовок:
0,61Кф. (13)
- круги с радиальной ориентацией зерен обладают на 14.17 % большей режущей способностью, чем стандартные инструменты; имеют более низкую температуру резания, на 20.30 °С меньшую температуру прогрева металла заготовок и формируют менее выраженную зону поверхностного упрочнения;
- круги с тангенциальной ориентацией зерен имеют на 25 .30 % более высокий, чем стандартные инструменты, ко ффициент шлифования и при работе потребляют на 5.17 % меньшую мощность.
Таким образом, проведенные исследования говорят о том, что целенаправленно управляя факторами формы и ориентации зерен, можно значительно повысить работоспособность изготавливаемых из них отрезных кругов при неизменных исходных компонентах этих инструментов. Иными словами, описанный подход позволяет тем же самым шлифовальным зерном работать с большей отдачей и эффективностью, реализуя незадействованный резерв их потенциальных возможностей и более полно оправдывая экономические затраты, вложенные при их изготовлении.
При этом к выбору формы и ориентации зерен следует подходить дифференцированно: в тех случаях, когда главным критерием эффективности отрезной операции является производительность и качество обработки, целесообразно рекомендовать использовать отрезные круги из зерен с большими значениями коэффициентов формы и их радиальной ориентацией в теле инструментов. Когда же на первый план выходит критерий низкого расхода инструментов и резание сопровождается высокими силовыми нагрузками, рекомендуют применять круги из зерен с малыми коэффициентами формы и тангенциальной ориентацией в теле инструментов.
Список литературы
Короткое В.А. Влияние формы зерен на эксплуатационные показатели отрезных шлифовальных кругов // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: Материалы III международной науч.-практ. конф., 6 - 9 дек. 2005 г. - Тюмень: Феликс, 2005. - С. 103 - 105.
Короткое В.А. Изготовление экспериментальных отрезных шлифовальных кругов // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении: Труды III Всероссийской науч.-практ. конф., 19 - 21 мая 2005 г. - Юрга: Изд-во ТПУ, 2005. - Т.1. - С. 31 - 32.
Korotkov V.A. Research of the exploitation abilities of the cutting discs, which consist of the abrasive grains with controlled orientation // Modern techniques and technologies (MTT 2007): Proceeding of the 13-th international scientific and practical conference of students, post-graduates and young scientists, March 26 - 30, 2006. - Tomsk, Russia, 2007. - P. 49 - 51.
30
№ 1 (46)2010
