CC BY
55
УДК 621. 921
С.А. Крюков, Н.В. Байдакова
СИСТЕМНО-КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К МОДИФИЦИРОВАНИЮ АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ПРИ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ
Рассматриваются вопросы системного и комплексного подхода при проектировании новых технико-технологических приемов и способов модифицирования абразивных инструментов при их совершенствовании. Проведены исследования структурно-объемнъгх и прочностных характеристик инструмента, по установлению степени влияния на них внешней среды, физико-химических и других воздействий, а также изучены функциональные связи между взаимодействиями и показателями инструмента. Экспериментальным путем подтверждена эффективность шлифкругов, изготовленных по предлагаемой методике.
Модифицирование, шлифовальный инструмент, наполнитель, порообразователь
S.A. Kryukov, N.V. Baydakova
A COMPREHENSIVE APPROACH TO MODIFICATION OF ABRASIVE TOOLS WHILE IMPROVING THEIR PROPERTIES
The paper presents a comprehensive approach to developing new technological methods for modification of abrasive tools while improving their quality. The conducted research was to determine the structural, volumetric and strength characteristics of the instrument used to establish the environmental impact rate, physical, chemical and other types of impact. Additionally, functional connections relating the interactions and indicators of the tool were analysed. Experiments were conducted to prove the efficiency of grinding wheels manufactured by means of the proposed methodology.
Modification, grinding tool, filler, blowing agent
В техническом и технологическом смысле качество и эффективность абразивного инструмента определяются комплексом свойств: структурными, физико-механическими, функциональными и эксплуатационными. Этот комплекс включает десятки показателей, определяемых количественно или качественно. Технические показатели отражают объективно существующие свойства инструмента, образуют о нем достаточно целостное представление и позволяют определить границы использования данного инструмента в том или ином процессе шлифования. Они могут быть объединены в несколько групп:
1) показатели структурных особенностей инструмента (зернистость, пористость, вид зерна, тип связки, объемное содержание зерна, связки, наполнителей и др.);
2) физико-механические показатели при действии различных нагрузок (предел прочности, модуль упругости, твердость, ударная вязкость, термостойкость, износостойкость и др.);
3) функционально-эксплуатационные показатели (режущая способность, износостойкость, производительность, стойкость, качество шлифованной поверхности детали и т.д.).
Для выявления технических и технологических решений, позволяющих обеспечивать высокоэффективные функциональные свойства и эксплуатационные показатели абразивного инструмента, необходимо исследование структурно-объемных и прочностных характеристик инструмента, установление степени влияния на них внешней среды, физико-химических и других воздействий, а также изучение функциональных связей между взаимодействиями и показателями инструмента.
В связи с этим рассмотрим абразивный инструмент в виде подсистемы общей системы «инструмент - среда - деталь». В этой подсистеме «входами» являются управляемые воздействия с целью регуляции и стабилизации свойств и показателей инструмента и неуправляемые факторы, например воздействия окружающей среды. «Выходы» характеризуют получаемые свойства и показатели инструмента в процессе его изготовления или совершенствования.
Блок-схема подсистемы позволяет выделить в общем спектре входные воздействия на структурно-механические характеристики и эксплуатационные показатели инструмента, систему комплексных воздействий, формируемые как система технологических методов регуляции и стабилизации характеристик и показателей инструмента.
В блок-схеме (рисунок) показаны основные типы связей, существующих в рассматриваемой подсистеме.
Вход
Формовочная смесь
1. Абразивный материал
2. Связка
3. Наполнители
4. Заполнители
5.Зерновой состав
1
Внешняя среда и комплесные воздействия
Г
Механические и физико-технические воздейстия
Физико-химические воздейстия
Другие воздейстия
Подсистема 'инструмент"
3
4
6
5
Выход
Структурно-механические характеристики
Плотность, прочность удержания зерна связкой, размеры и количество пор, зерна, связки, качество инструмента
Функционалъно-эксплуатационн ые показатели
Режущая способность, скорость изнашивания, коэффициент шлифования, температура и сила шлифования, качество обработанной поверхности
Блок-схема процессов в подсистеме «инструмент»
Связи 1 обусловлены взаимосвязью вариантов и параметров воздействий на подсистему «инструмент», а также взаимным влиянием технологических решений и внешней среды.
Связи 2 обусловлены взаимосвязью параметров, определяющих состояние подсистемы «инструмент» (структурно-объемные, физико-механические параметры, состояние рабочей поверхности инструмента, внешние механические и физико-химические параметры процесса шлифования).
Так, изменение зернистости инструмента влечет за собой изменение фракционного и объемного соотношения состава наполнителей и в целом абразивной смеси, а также режимов термообработки, импрегнирования и т.п.
Внешние параметры технологических воздействий и параметры структуры инструмента взаимосвязаны, что в конечном итоге определяет эффективность свойств инструмента в процессе шлифования.
Прямые связи 3, 4 предполагают изменения свойств и параметров подсистемы «инструмент» при комплексном механическом, физико-технологическом и физико-химическом воздействии на нее, а также при воздействии внешней среды. Закономерности изменения структурно-механических характеристик и эксплуатационных показателей инструмента при реализации различных технологических воздействий исследованы и представлены выше.
Обратные связи 5 и 6 предполагают изменение вида или параметров технологических воздействий при изменении параметров подсистемы. Так, при изготовлении высокопористого инструмента из-за неоднородности структуры снижается механическая прочность, что требует дополнительного воздействия, например введения мелкодисперсного наполнителя в формовочную массу или импре-гнирование такого инструмента веществом, создающим упрочняющий каркас в черепке инструмента.
Обратные связи 7 - связи между входными и выходными параметрами, т.е. функциональными свойствами и эксплуатационными показателями инструмента, а также вариантами и параметрами технологических воздействий и внешней средой. Например, при улучшении структурно-механических свойств инструмента за счет подбора оптимального зернового состава абразивной смеси отпадает необходимость в других вариантах технологических решений для повышения механической прочности инструмента. Таким образом, рассмотрение абразивного инструмента как подсистемы позволяет выявить не только основные свойства и показатели инструмента, но и технологические способы и методы, применение которых позволит решить проблему эффективного совершенствования абразивного инструмента.
Таким образом, системный подход к изучаемой проблеме, позволяющий осуществить ее комплексное решение, предполагает следующее. Абразивный инструмент рассматривается как подсистема, изменяющая свое состояние в процессе эксплуатационного цикла, текущее состояние которой определяется в процессе шлифования. Технико-технологическое решение по изготовлению или совершенствованию инструмента формируется как система методов и способов, реализующих комплексные механические, физико-химические воздействия и технологические режимы. Такой системный и комплексный подход к анализу проблемы обеспечения высокоэффективных функционально-эксплуатационных свойств инструмента позволяет разработать основные этапы решения поставленных задач.
Первоначальным этапом решения является изучение и выявление основных физико-механических и технологических свойств, а также рационального зернового состава абразивной смеси, определяющих качественные показатели инструмента после его изготовления. Затем рассматриваются основные технологические факторы и внешние воздействия разного характера, влияющие на структурно-механические характеристики, качество и функционально-эксплуатационные показатели инструмента. При этом анализируется возможность применения различных воздействий: механических, физико-технических, химических и комбинированных или совмещенных. После этого производится выбор вариантов и параметров регулирующих воздействий с целью выявления высокоэффективных свойств инструмента и показателей процесса шлифования.
Одновременно с этим должны устанавливаться зависимости и корреляционные взаимосвязи рассматриваемых свойств инструмента от параметров и режимов комплексных воздействий и процесса шлифования. С этой целью производится построение математических моделей и проводятся соответствующие теоретические и экспериментальные исследования.
Заключительным этапом является разработка комплексного технико-технологического обеспечения при создании и совершенствовании абразивного инструмента с регламентированными свойствами для повышения эффективности процесса шлифования.
Вышеприведенная методология легла в основу разработки технико-технологических принципов регуляции и стабилизации структурно-механических характеристик и показателей абразивных инструментов.
Известно, что высокопористые шлифкруги, изготовленные с помощью выгорающих наполнителей, а также шлифкруги из карбида кремния на керамической связке обладают существенным недостатком - низкой механической прочностью черепков. Для устранения этих недостатков применяются следующие структурно-технологические модифицирования инструментов. При производстве, например, высокопористых шлифкру-гов, в формовочную массу дополнительно вводится мелкодисперсный абразивный наполнитель [1] или готовые шлифкруги подвергаются импрегнированию растворами или расплавами, которые при взаимодействии с черепком инструмента образуют упрочняющий каркас [2]. В качестве таких импрегнаторов используются жидкое стекло, расплав серы и др. Нововведением в этой области является способ, предусматривающий при изготовлении высокопористого инструмента вместо выгорающих наполнителей использовать наполнители, выполненные из абразивного огнеупорного материала, который, в свою очередь, адгезионно инертен к керамической связке [3]. 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, 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.
Анализ результатов сравнительных испытаний показал, что высокопористые круги с огнеупорным наполнителем КК32 из карбида кремния 54С32 имеют режущую способность в 1,1+1,4 раза, а стойкость в 1,3+1,6 раза выше, чем у кругов, изготовленных с помощью выгорающих наполнителей КФ40. При этом отсутствуют прижоги, а шероховатость поверхности Иа уменьшается на 15+20%.
Для производства обдирочного инструмента из карбида кремния разработаны два новых технических решения на уровне изобретений [4, 5]. Низкая механическая прочность таких инструментов объясняется тем, что керамическая связка не реакционноспособна к карбидкремниевым зернам, которые к тому же имеют гладкую поверхность и более широкие углы режущих граней, что отрицательно сказывается на характере удержания зерна в черепке инструмента. Зерна карбида кремния удерживаются лишь за счет механического заклинивания в связке.
При устранении вышеуказанных недостатков использовался технологический принцип совмещения и комбинирования, заключающийся в том, что в массу для изготовления инструмента из карбида кремния вводятся дополнительно адгезионно активные к связке мелкодисперсные абразивные частицы, например зерна электрокорунда. При этом частицы наполнителя имеют размер 0,16-0,25 размера зерен карбида кремния, а объем частиц наполнителя составляет 8-10 % от общего объема массы. Кроме того, рекомендуется использовать частицы наполнителя пластинчатой и игольчатой формы. Выбор частиц наполнителя, адгезионно активных к связке, а также пластинчатой и игольчатой формы позволяет усилить степень армирования мостиков связки между абразивными зернами и повысить в целом прочность инструмента и, как следствие, увеличить стойкость и производительность инструмента. Таким образом, совмещение двух типов абразивных зерен (карбида кремния и электрокорунда), комбинирование их по объему и форме зерен позволяет создавать абразивные инструменты с повышенным качеством по прочности и более высокой производительностью. Анализ результатов предварительных испытаний показывает, что абразивные инструменты, изготовленные из предлагаемых масс, имеют прочность на разрыв в 1,13-1,19 раза, коэффициент шлифования в 1,30-1,35 раза и стойкость в 1,20-1,26 раза выше соответствующих показателей у инструментов прототипов.
Таким образом, системный и комплексный подход к решению возникающих проблем и задач позволяет разрабатывать и проектировать новые технико-технологические приемы и способы модифицирования абразивных инструментов при их совершенствовании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Багайсков Ю.С. Повышение эксплуатационных показателей изделий из абразивных композиционных материалов: монография / Ю.С. Багайсков, В.М. Шумячер; ВолгГАСУ, ВИСТех. Волгоград: ВолгГАСУ, 2005. 200 с.
2. Крюков С.А. Стабилизация и регуляция структурно-механических характеристик абразивных инструментов: монография / С.А. Крюков, В.М. Шумячер; Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т; Волжский ин-т строит. и технол. (филиал) ВолгГАСУ. Волгоград, 2013. 207 с.
3. Пат. 2215643 РФ. Абразивный инструмент / В.М. Шумячер, В.А. Назаренко, С.А. Крюков, И.В. Дуличенко // Бюл. № 31. 2003. 2 с.
4. Пат. 2262434 РФ. Масса для изготовления абразивного инструмента / В.М. Шумячер, А.В. Славин, И.В. Дуличенко, С.А. Крюков // Бюл. № 29. 2005. 3 с.
5. Пат. 2354534 РФ. Масса для изготовления абразивного инструмента / В.М. Шумячер, А.В. Славин, С.А. Крюков // Бюл. № 13. 2009. 3 с.
Крюков Сергей Анатольевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Общетехнические дисциплины» Волжского института строительства и технологий филиал Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Sergey A. Kriukov -
Ph. D., Associate Professor
Department of General Technical Disciplines
Volzhsky Institute of Civil Engineering
and Technologies (branch of the institute) Volgograd State
University of Architecture and Civil Engineering
Байдакова Наталья Васильевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологические процессы и машины» Волжского института строительства и технологий филиал Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Статья I
Natalya V. Baidakova -
Ph. D., Associate Professor
Department of General Technical Disciplines
Volzhsky Institute of Civil Engineering
and Technologies,
Branch of Volgograd State
University of Architecture and Civil Engineering
тупила в редакцию 15.01.14, принята к опубликованию 15.05.14
