CC BY
182
УДК 621.921.1
А.Н. Коротков, Д.В. Видин, А.С. Филиппов
ПРИМЕНЕНИЕ АБРАЗИВНО-ПРИТИРОЧНЫХ ПАСТ С КОНТРОЛИРУЕМОМ ФОРМОЙ ЗЕРЕН ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ПРИТИРКИ ДЕТАЛЕЙ
Введение
Абразивно-притирочные пасты представляют собой смесь абразивных зерен с наполнителями, в состав которых могут входить в определенных пропорциях полиизобутилен, олеиновая кислота, стеарин, парафин, керосин, минеральное масло, мыло и масло индустриальное [1, 2, 3]. Главными режущими элементами паст являются зерна, от эксплуатационных возможностей которых в определяющей степени зависит эффективность процесса притирки.
Между тем, анализ показывает, что у всех известных составов есть один общий и существенный недостаток - они состоят из абразивных (или алмазных) зерен с произвольной формой. Произвольная форма зерен, как следствие, формирует у них хаотичную и неупорядоченную геометрию, что не позволяет достичь максимальной работоспособности изготавливаемых из них паст, т.к. возникает значительная дифференциация в эффективности работы каждого отдельного зерна. Многие зерна, из-за неблагоприятной геометрии, либо вообще не участвуют в совокупном процессе микрорезания, либо участвуют в нем минимально. В итоге, у паст с произвольной формой зерен не достигается максимальная интенсивность съема металла, занижается коэффициент шлифования и качество обрабатываемых поверхностей.
Методика испытаний и результаты экспериментов
В КузГТУ разработан новый состав абразивно-притирочных паст, на который получен патент РФ и который устраняет отмеченный недостаток за счет применения зерен с контролируемой и одинаковой формой [4]. Одинаковость и упорядоченность зерен достигается за счет сепарации исходной массы обычного абразива на ряд фракций по признаку формы. Аналогичный результат может быть также получен путем изготовления зерен с заданной формой по технологиям, подобным производству сферо- и формокорундов.
В данной работе оценивается эффективность применения абразивно-притирочных паст с контролируемой формой зерен для различных схем притирки деталей.
На первом этапе изучалась классическая схема притирки (см. рис. 1), когда в качестве притира использовался металлический диск 1 из стали 3 (118-120 НВ) диаметром 130 мм, а обрабатываемая деталь 2 представляла собой диск диаметром 240 мм (сталь 3). Притиру и детали сообщалось вращение с окружной скоростью
^кр=13,8 м/с. Между деталью и притиром помещалась притирочная паста, содержащая классифицированные по форме шлифовальные зерна. Для проведения исследований было приготовлено три разновидности притирочных паст на базе шлифовальных зерен марки 13А20 с разной формой зерен. Разная, но одинаковая для данной фракции зерен форма, была получена путем сепарации исходной массы абразива на вибрационном сепараторе по признаку формы [5]. Форма зерен количественно оценивалась с помощью коэффициента формы, равного отношению описанного вокруг контура зерна окружности к вписанной окружности: Кф=Боп/Овп. Определение коэффициента формы
осуществлялось с помощью микроскопа, сканера и специально разработанной программы для ЭВМ [6]. Усредненный коэффициент формы для той или иной фракции зерен определялся на основании обмеров и вычислений не менее, чем для 100 отдельных зерен из рассматриваемых фракций.
Рис. 1. Схема притирки Испытанию были подвергнуты притирочные пасты со следующими коэффициентами формы зерен: Кф=1,3; Кф=2,1; Кф=4,1 (следует отметить, что чем ближе коэффициент формы к единице, тем более округлую, изометрическую форму имеют зерна; и наоборот - чем значительнее коэффициент формы отличается от единицы, тем более вытянутую, пластинчатую и иглообразную форму имеют зерна).
Усилие прижатия притира к детали было постоянным и составляло 15 Н, а время притирки
насчитывало 5 мин.
Притирочная паста состояла из 75% наполнителя и 25% абразивных зерен. В качестве наполнителя использовалась смесь стеарина и машинного масла 5W30 в соотношении три к двум.
В ходе испытаний оценивалась режущая способность притирочной пасты (количество снятого металла за определенный период времени) и шероховатость обрабатываемой поверхности.
Результаты испытаний представлены в виде диаграмм на рис. 2 и 3.
О, г-
0,25 " 0,2" 0,15" 0,1" 0,05" 0
0,24
0,14
011
Кф=1, 3
Кф=2, 1
Кф=4, 1
Рис. 2. Режущая способность притирочных паст с разной формой зерен (за 5 минут работы)
И,
мкм
2,5
0,5
2,85
2,8
1,29
Кф=1, 3
Кф=2, 1
Кф=4, 1
Рис. 3. Зависимость шероховатости поверхности Яа от формы зерен в притирочных пастах
На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что форма абразивных частиц, используемых в притирочной пасте, значительно влияет на производительность притирки и шероховатость обрабатываемых поверхностей. Так, для рассматриваемой схемы притирки, используя зерна изометрической формы, можно в 2,2 раза повысить производительность притирки, а применяя зерна игольчатой формы - более чем в 2 раза снизить шероховатость поверхности, не меняя марку и зернистость используемого абразива. Тем самым, можно заставить обычный абразив работать более эффективно, не приобретая более дорогой и дефицитный шлифовальный материал и не усложняя схему обработки.
На следующем этапе оценивалась работоспособность абразивно-притирочных паст с контролируемой формой зерен при вибрационной схеме обработки (см. рис. 4).
Испытанию подвергались абразивно -притирочные пасты из абразивных материалов следующих марок и зернистостей: 24А10, 13А20, 25А40. Перечисленные марки шлифовальных зерен сепарировались на вибрационном сепараторе на изометрическую и пластинчатую фракции, которые сравнивались в дальнейшем с исходной массой абразива, имевшей произвольные по форме зерна.
Соотношение компонентов, входящих в состав абразивно-притирочных паст, составляло в процентном отношении: абразив 25-50%, стеариновая кислота 35-45%, минеральное масло -остальное.
Приготовленные абразивно-притирочные пасты испытывались на цилиндрических деталях из закаленной стали ШХ15 (НИС 62) с размерами Б=12мм, длина Ь=15мм. Режимы вибрационной притирки: частота колебаний притира Б=800Гц; усилие прижатия притира к детали Р=18Н.
Результаты испытаний при реализации вибрационной схемы обработки деталей представлены в табл. 1.
В результате проведенных испытаний выявлено, что у абразивно-притирочных паст с изометрической формой зерен интенсивность съема металла в среднем выше на 63%, а у паст с
Рис.4. Вибрационная схема притирки
2
1
0
Таблица 1
Форма зёрен в пасте Марка абразива Эксплуатационные показатели
Интенсивность съема металла Шероховатость обработанной поверхности
г/мин % мкм %
Произвольная 24А10 0,12 100 0,9 100
Изометрическая 24А10 0,25 208 1,08 120
Игольчатая 24А10 0,06 50 0,8 89
Произвольная 13А20 0,07 100 1,16 100
Изометрическая 13А20 0,08 114 1,80 155
Игольчатая 13А20 0,02 28,6 1,01 87
Произвольная 25А40 0,12 100 1,52 100
Изометрическая 25А40 0,20 167 1,87 123
Игольчатая 25А40 0,05 41,7 1,25 82
игольчатой формой зерен шероховатость обработанной поверхности ниже на 11-18%, чем у стандартных абразивно-притирочных паст, состоящих из зерен с произвольной формой.
Абразивно-притирочные пасты с
контролируемой формой зерен испытывались также при притирке клапанов двигателей внутреннего сгорания.
В качестве абразивных зерен использовались шлифовальные зерна двух разных марок и зернистостей: 24А10 и 25А16. Исходный абразив с помощью вибрационного сепаратора был предварительно разделен на три фракции с разной формой: изометрической, промежуточной и осколочно-пластинчатой.
Притирка клапанов проводилась на вертикально-сверлильном станке модели 2С132
1
5
(рис. 5). Для обеспечения вертикального положения притираемого клапана к седлу клапана, станок был дооснащен специальной монтажной платформой (рис. 6). Предотвращение перемещений головки блока цилиндров по платформе обеспечивалось специальными направляющими и зажимами. При этом была предусмотрена возможность изменения наклона платформы, что позволяло проводить притирку головок блоков цилиндров разных конструкций.
Для передачи вращательного движения от шпинделя станка к клапану, с обеспечением переменного давления в притираемой области, была изготовлена специальная муфта. Конструкция муфты позволяла компенсировать незначительную несоосность клапана 3 и патрона станка 1.
Рис. 5. Схема притирки клапана к седлу клапана Рис. 6. Монтажная платформа для установки на сверлильном станке головки блока цилиндров
Таблица 2
Притирочная паста Вес клапана до Съем Шероховатость поверхности после обработки по Ra, мкм Время выдержки
притирки, г металла, г на протечку, мин.
24А10 Кф=1,2 77,12 0,03 0,72 7
24А10 Кф=1,5 76,29 0,02 0,85 3,5
25А16 Кф=1,15 77,56 0,02 0,76 7
24А10 Кф=1,8 78,20 0,02 1,17 6
«Профессионал» 77,66 0,03 1,97 4
Клапану 3 сообщалось вращение с частотой ю = 355 мин-1, седло клапана 4 находилась в статичном положении. Между клапаном и седлом клапана помещалась притирочная паста. Усилие прижатия клапана к седлу клапана было переменным и составляло от 0 до 10 Н, время абразивной обработки - 5 минут (каждые 20 сек. менялось направление вращения клапана). В качестве притирочной пасты использовалось шесть экспериментальных составов и одна заводская притирочная паста, для сравнения результатов. В качестве стандартной притирочной пасты использовался наиболее распространенный состав «Профессионал» для черновой и чистовой притирки (зернистость абразива входящего в состав пасты составляла 63 ^ 80 мкм).
В качестве опытных образцов, использовались новые клапана серийного производства. Седло клапана имело правильную геометрию. Процесс притирания клапана производился за один цикл, длительностью 5 минут, после которого оценивалась шероховатость обработанной поверхности, а также герметичность перекрытия клапана и седла клапана гидравлическим способом. Для проведения испытания на герметичность, производилась предварительная очистка и обезжиривание клапана и седла клапана. Далее клапан закрывался «на сухую» без усилия прижатия, заливался керосином и определялось
время выдержки на протечку керосина.
Результаты притирки клапанов отражены в табл. 2. и они подтверждают, что, как и в предыдущих случаях, форма зерен абразива, используемого для притирки, в значительной мере влияет на эффективность этой операции. При данной схеме притирки при увеличении коэффициента формы зерен (переходе от Кф с малыми значениями к Кф с большими значениями, т.е. при переходе от зерен изометрической формы к их пластинчатым и игольчатым разновидностям), наблюдается повышение шероховатости и уменьшение герметичности перекрытия клапана и седла клапана двигателя внутреннего сгорания.
Общие выводы
Таким образом, полученные при разных схемах притирки результаты обработки деталей пастами с контролируемой формой зерен, позволяют сделать общий вывод о том, что фактор формы зерен оказывает весьма существенное влияние на эксплуатационные показатели притирочных паст. Реализуя на практике дифференцированный подход к выбору формы шлифовальных зерен для притирочных паст, можно значительно повысить производительность и качество процесса притирки деталей, не используя дефицитных и дорогостоящих шлифовальных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2034005 РФ, МПК6. С09С1/02. Абразивно-притирочный состав / Холмогорцев Ю.П., Устимов Е.С., Кирдяшкина Л.П. - № 5018458/05; заявл. 20.12.1991; опубл. 30.04.1995.
2. Пат. 2058360 РФ, МПК6. С0901/02. Абразивная паста / Александрова Г.М. - № 93044932/04; заявл. 14.09.1993; опубл. 20.04.1996.
3. Пат. 2167902 РФ, МПК7. С0901/02. Доводочно-притирочная паста / Дудко П.П., Кузьмин В.Н. - № 2000118717/04; заявл. 05.07.2000; опубл. 27.05.2001.
4. Пат. 2467047 РФ, МПК. С0901/02. Абразивно-притирочная паста / Коротков А.Н., Видин Д.В. - № 2011117908/05; заявл. 04.05.2011; опубл. 20.11.2012, Бюл. №32.
5. Пат. 2248851 РФ, МПК7. В07В1/40, 13/00. Вибрационный сепаратор / Коротков А.Н., Дубов Г.М., Баштанов В.Г. - № 2003129945/03; заявл. 08.10.2003; опубл. 27.03.2005, Бюл. №9.
6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006610153. Форма шлифовальных зерен / Коротков А.Н., Рылов Г.М. - № 2005612738; заявл. 25.10.2005; опубл. 10.01.2006.
Авторы статьи
Коротков Александр Николаевич д.т.н., проф., зав. каф. «Металлорежущие станки и инструменты» КузГТУ E-mail: msikuz stu@mail.ru
Видин
Денис Владимирович ст. преп. каф. технология металлов КузГТУ , E-mail: v dionis@mail.ru.
Филиппов Алексей Сергеевич магистр гр. МСм-121КузГТУ, тел. 8-384-2-39-63-99.
