Совершенствование структурно-механических свойств абразивных инструментов высокой плотности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

УДК 621.922.02

Ю.С. Багайсков, В.М. Шумячер

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ

Рассматриваются условия обеспечения плотной упаковки абразивных зерен. Приведены зависимости для определения при этом объемного содержания основного абразива, наполнителя - абразива меньшей зернистости, величины этой зернистости. Обоснована эффективность формирования такой структуры для инструментов как средних номеров структур и степеней твердости, так и максимальной плотности.

U.S. Bagaiskov, V.M. Shumatcher

ABRASIVE TOOLS OF HIGH COMPACTNESS STRUCTURAL AND MEGHANICAL

PROPERTIES IMPROVEMENT

We considered the conditions of providing abrasive grains with compact packing. Dependences are given for defining here of the volume content of the main abrasive - of abrasive-filler of less grain, of this grain size. Efficiency of the formation of such a structure for tools both the medium numbers of structures and degrees of hardness and the maximum compactness is based.

Абразивные инструменты низких структур (номер структуры менее 5) и, как правило, высокой степени твердости (более СТ) широко распространены в основном в силовых, обдирочных процессах шлифования, при обработке и правке самих абразивных инструментов, в некоторых видах профильного шлифования. Повышение требований к их параметрам является актуальной проблемой. Необходимо достигнуть высокой плотности и прочности материала инструмента при низкой степени пористости. Обязательное условие - обеспечение при этом высокой однородности распределения абразивных зерен.

Таким образом, задачей является получение максимальной плотности упаковки абразивных зерен в композиционном материале инструмента. Известен ряд моделей формы зерен, в т.ч. в виде эллипсоида, двух сдвинутых основаниями конусов и др. [1]. В настоящей работе примем для расчетов форму абразивного зерна в виде шаров [2]. Следует отметить, что именно для рассматриваемой характеристики инструмента такой подход наиболее близок к реальному, так как при максимальной плотности укладки вследствие некоторого разрушения при прессовании форма зерен стремится к сферической, число контактов зерен между собой почти предельно. Максимальная плотность упаковки и одновременно равномерность распределения зерен - шаров одного

диаметра (зернистости) может быть достигнута в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1, с учетом объемного представления.

В такой схеме на 100% реализуется возможность контактов поверхностей зерен -шаров. При этом один шар контактирует с 14 другими, на поверхности - с 9. Возьмем блок четырех зерен, каждый из которых контактирует с тремя остальными. Из таких блоков, связанных между собой, состоит структура материала инструмента. Если связать центры этих четырех зерен, то получается равносторонняя пирамида (рис. 1, б).

Как известно, объем материала абразивного инструмента составляют объемы абразивных зерен, связки и пор. Определим, какая часть объема занимается абразивными зернами одинакового размера при плотной упаковке, какая остается на связку и поры.

Объем одного зерна, как шара:

К=1 п $ , (1)

6

где ё1 - диаметр абразивного зерна-шара.

Рис. 1. Схема максимальной упаковки зерен-шаров: а - общая структура упаковки; б - блок-схема четырех зерен-шаров; А, Б, С и Р - центры шаров

Объем всего инструмента, определяемый через межцентровые расстояния с учётом объёмного расположения:

V0 = (dj3 • sin2 aj • n1 , (2)

где ai - угол между ребром пирамиды и высотой боковой поверхности пирамиды (ZDCE на рис. 1, б); ni - количество зёрен в упаковке.

Угол a1 можно определить следующим образом:

^s a1 = СЕ1 /СD , (3)

2

где СЕ1=зCE, т.к. Е1 - центр боковой стороны пирамиды; СD = d1.

Размер СЕ определяется:

СЕ = drsin a , (4)

где a=60° - угол в основании боковых поверхностей равносторонней пирамиды.

Тогда можно определить:

л/3

^s a1 = -3- = 0,5774; a1 = 54°35' .

При известных объеме инструмента и зернистости абразива количество зерен при плотной упаковке теоретически равно:

П1 = d 3 V02 . (5)

d1 sin2 a1

Часть объема инструмента на связку и поры:

nd3 ( П Л

Ув + Vnop = Vo - V • n = Vo -n = Vo 1 -^-7-7- I . (6)

Отсюда доля связки и пор в общем объеме:

2

V

6sin2 a

V + V п

св пор __ 1 (7)

V0 6 біп2 а1

Расчет показывает: (Vcв + Vпор) / V0 = 0,213.

Тогда содержание абразива в плотной упаковке:

Vабр = Vl • « = 0,787 .

Показано, что части объема инструмента, занимаемые абразивным зерном, связкой и порами, постоянны по величине и не зависят от размера зерен.

Реальная структура абразивного инструмента с формой зерна, отличного от сферической, не имеет такой предельно плотной упаковки. Абразивный материал в свободно насыпанном состоянии характеризуется насыпным весом. Отношение насыпного веса к удельному, как для электрокорунда, так и для карбида кремния, равно

0,45. Эта величина характеризует объемное содержание абразива. Тогда на связку и поры приходится 0,55 объема, тогда как теоретически при плотной упаковке 0,213. Значит, поправка в 2,582 раза, что в переводе на линейный размер дает коэффициент К=1,37.

Для обеспечения максимально плотной структуры инструмента в имеющиеся ячейки (поровые пространства) между абразивными зернами можно вводить наполнитель - абразивные зерна другой зернистости (размера).

Исходя из теоретической структуры на рис. 1, количество зерен наполнителя можно определить по следующей формуле:

(V«1-1)3 . (8)

П2 =

Центр единицы зерна наполнителя находится в геометрическом центре пирамиды (рис. 1, б), точка Е2.

Диаметр зерна наполнителя с учетом поправки на реальный инструмент по коэффициенту К=1,37:

^ _ 2 К •{ Е2Б - ^_ К • ± •{ 3бш а1 - 2 V 0,3055 ± ,

3

где E2D = —E1D; E1D = d1 sin a1.

4

Объем всей суммы зерен наполнителя:

Кап = П Л2 • П2 = 0,015 • ^ • Л/(П1 - 1)3 •

6

Как доля от объема всего абразивного материала оптимальное объемное содержание наполнителя, а при равном удельном весе и по массе, составляет примерно:

нап

Va6p

= 0,0285 . (10)

Эта величина соответствует примерно 3% наполнителя от содержания основного абразива.

Полученные зависимости на основе представления плотной упаковки абразивных зерен в сферической форме с поправкой на насыпную характеристику позволяют рекомендовать определенные значения размеров и объемного содержания наполнителя, абразивного зерна меньшей зернистости, для инструментов от средних структур и твердости до высокой плотности.

Введение наполнителя - абразивных зерен меньшей зернистости - приводит к увеличению числа контактов зерен между собой в условиях равномерной структуры теоретически с 14 до 26. В связи с этим, при одном и том же содержании связок достигается некоторое увеличение твердости (в пределах одной степени) и в целом механической прочности инструмента. При шлифовании такой инструмент будет давать больший съем металла при уменьшенном износе и таким образом обеспечивать более высокую стойкость между правками.

В частности, для шлифкругов 1 50x40x16 25А25 СМ2 7 К увеличение стойкости составляет 20 - 30 %.

Для шлифкругов самой высокой твердости (ВТ - ЧТ) введение наполнителя с расчетными характеристиками позволяет добиться при формовании заданной твердости при меньших нагрузках, получить равномерную качественную структуру без перепрессовки, исключить или уменьшить технологический брак, обеспечить эффективность шлифования.

Кроме того, за счет увеличения числа контактов абразивных зерен и количества мостиков связки возрастает механическая прочность композиционного материала абразивных инструментов. Это обосновывает введение наполнителя в рецептуру инструментов, предназначенных для рабочих скоростей 50-60 м/с и выше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сиротин В.П. Исследование влияния строения и конструкции кругов на их режущую способность и качество поверхностного слоя шлифуемых деталей: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.П. Сиротин. Одесса, 1980. 17 с.

2. Байкалов А.К. Введение в теорию шлифования материалов / А.К. Байкалов. Киев: Наукова думка, 1978. 207 с.

Багайсков Юрий Сергеевич -

кандидат технических наук,

доцент кафедры «Технология обработки и производства материалов»

Волжского института строительства и технологий (филиала)

Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Шумячер Вячеслав Михайлович -

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Технология обработки и производства материалов»

Волжского института строительства и технологий (филиала)

Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета