CC BY
51
ваний параметров кинематического микровзаимодействия шлифовального круга с заготовкой.
Полученные результаты используются в создаваемой системе автоматизированного проектирования ре-жимно-инструментального оснащения операций шлифования «Шлифдизайн» [10].
Исследования выполнены по контракту с федеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям).
Список литературы
1 Новоселов Ю. К. Динамика формообразования поверхностей при
абразивной обработке. Севастополь : Изд-во СевНТУ, 2012. 304 с.
2 Peklenik J. Ground surfaces of abrasive products. International Grinding
Conference August 27-29, 1984. The Abbey on Lake Geneva Fontana Wisconsin, USA.
3 Маслов Е. Н. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение,
1974, 320 с.
4 Malkin S., Guo Ch. Grinding Technology: Theory and Applications of
Machining with Abrasives. New York: Industrial Press Inc., 2008. 372 p.
5 Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. М.:
Машиностроение, 2007. 688 с.
6 Корчак С. И. Производительность процесса шлифования стальных
деталей. М. : Машиностроение, 1974. 280 с.
7 Королев А. В., Новоселов Ю. К. Теоретико-вероятностные основы
абразивной обработки : в 2 ч. Ч. 1. Состояние рабочей поверхности инструмента. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. 160 с.
8 Переладов А. Б., Камкин И. П. Вероятностная компьютерная модель
рабочего слоя шлифовального круга //Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении». 2013. Вып. 10, №20 (123). С. 49-52.
9 Переладов А. Б. Повышение эффективности операций шлифования
путем направленного регулирования параметров рабочего слоя абразивного инструмента : дис. ... канд. техн. наук. Курган, 1998. 150 с.
10 URL: http://shlif.jaguarsoft.ru/
УДК 621. 922 В.К. Коротовских
Курганский государственный университет
СТРУКТУРА АЛМАЗНЫХ КРУГОВ НА ОРГАНИЧЕСКИХ СВЯЗКАХ
Аннотация. В структуре шлифовальных кругов заложены большие возможности в повышении их производительности и качества. В статье приведены беспористые структуры алмазных серийных кругов на органических связках. Показаны структуры эффективных опытных кругов с использованием в качестве пор полых сферических частиц.
Ключевые слова: структура, алмазные зерна, связка, поры, полые сферические частицы.
V.K. Korotovskih Kurgan State University
STRUCTURE OF DIAMOND WHEELS ON ORGANIC BINDERS
Abstract. Structure of grinding wheels has great opportunities to improve its productivity and quality. This paper presents nonporous structures of diamond production wheels on organic binders. The structures of effective experimental wheels with hollow spherical particles as pores are shown.
Keywords: structure, diamond grains, binder, pores, hollow spherical particles.
Структура шлифовального инструмента определяется объемным соотношением трех составляющих: абразивных зерен Кз; связки Ксв и пор Кп (при их суммарном постоянстве Кз + Ксв + Кп = 1). Кроме того, на структуру как внутреннее строение круга большое влияние оказывают размеры и форма зерен ds и пор dn. Разнообразие технологических операций вызывает необходимость получения различных структур кругов, т.е. варьирования в широких пределах всеми их составляющими: Кз, Ксв, Кп, da, dn.
Выпускаемые в настоящее время алмазные круги на органических связках имеют несовершенную структуру, так как в их составе отсутствует пористость (Кп = dn = 0). Поэтому получение структуры возможно только за счет изменения объема или концентрации Кз (автоматически и объема связки Ксв) и величины зерен алмазов d3. Формирование структур с различной концентрацией при определенной зернистости не позволяет существенно влиять на выходные показатели процесса шлифования. В связи с этим в производстве применяются в основном круги одной структуры или одной - 100%-й концентрации с объемной долей зерен алмазов Кз = 0,25; остальное -связка Ксв = 0,75 (рисунок 1). Естественно, пористость здесь может быть введена в круги за счет уменьшения объема связки без снижения прочности удержания зерен алмазов.
Подбором только зернистости d., нельзя одновременно обеспечить высокую производительность и высокое качество обработки. Поэтому трудоемкость изготовления такими кругами возрастает из-за необходимости разделения операции на черновую, чистовую, доводку. Увеличивая d^ добиваются повышения производительности шлифования, используя крупнозернистые круги при предварительной черновой обработке. Затем кругами низкой зернистости на чистовых доводочных операциях достигают требуемого качества шлифуемой поверхности. Совместить операции можно с помощью кругов малой зернистости и с развитой режущей поверхностью, обеспечивающей высокую производительность обработки [1]. Отсутствие пористости не позволяет получить такую режущую поверхность.
Для алмазного шлифовального инструмента на органических связках к ГОСТовскому определению структуры (соотношение объемных долей зерен, связки и пор) необходимо добавить и такое, как структура - сформированный каркас. Это объясняется тем, что органические связки при нагреве в процессе шлифования размягчаются и зерна алмазов теряют способность резать. Следовательно, алмазные зерна нуждаются в постоянной опоре, которую можно получить с помощью образования из них каркаса. В инструменте 100%-й концентрации он невозможен, а круги с повышенной 150% (Кз = 0,375; Ксв = 0,625) или 200% концентрацией (Кз = Ксв = 0,5) с каркасом из зерен алмазов (рисунок 2) не применяются из-за их резкого удорожания. Кроме того, в плотных структурах (по количеству зерен алмазов) нет места для пор. Здесь они могут быть получены только за счет режущих зерен, возвращаясь, опять же к 100%-й концентрации, как это делается в кругах из обычных абразивных материалов при формировании средних, открытых, высокопористых структур.
Для образования каркаса в состав некоторых серийных связок (В1-02, В2-01 и др.) в качестве их наполнителя вводятся абразивные зерна карбида бора, кремния, электрокорунда размером d^ на один-два номера ниже зернистости d.j алмазов (Кз = 0,25; Ксв = 0,75, состоящей из
объемной доли связующего и зерен наполнителя в количестве 0,1-0,25). Однако такой комбинированный каркас (рисунок 3) легко разрушается из-за его составляющих зерен традиционного абразива невысокой твердости и прочности. Поэтому в подобных структурах поры могут быть введены за счет абразивного наполнителя. Кроме того, серийные круги имеют неравномерную структуру, так как при перемешивании абразивных масс, состоящих из частиц произвольной формы, с острыми гранями и углами, не удается исключить «комкообразования», «непро-мешиваемости». Отсутствие пористости, каркаса для режущих зерен, неравномерность структуры и т.д. приводят к засаливаемости режущей поверхности кругов, их повышенному расходу, появлению трещин на обрабатываемой поверхности.
С целью получения алмазных кругов пористой структуры на органических связках появились первые способы их изготовления [2]. Поры в таких кругах образуются с помощью вспенивания абразивной массы при изменении существующей технологии изготовления или введении добавок химического происхождения, выплавляющихся в процессе термообработки инструмента (алюмо-калиевых квасцов, гидрата пирофосфорнокислого натрия и т.п.). Однако возможности в управлении структурой здесь ограничены несовершенством пористой составляющей Кп), так как при таких способах нельзя получить поры необходимых характеристик. Образуемые в процессе спекания поры имеют случайные, неконтролируемые (как правило, незначительные) размеры, расположение и форму (рисунок 4), являются концентраторами напряжений. Формирование пор в объеме круга происходит произвольно, предопределяя неравномерность получаемой структуры. Наиболее существенным недостатком пористых кругов, изготовленных с помощью вспенивания, является их низкая износостойкость. К снижению прочности матрицы приводит отсутствие прессования, изменение по сравнению с серийной технологией изготовления, скорости и температуры термообработки. А введение в абразивную массу при ее перемешивании различных химических добавок уменьшает адгезию между зернами и связкой. Разупрочняющее воздействие предлагаемых способов ограничивает возможность объемного содержания пор Кп в пределах 10%. При этом варьирование концентрацией Кз для образования различных структур становит-
ся нецелесообразным. Кроме того, при подобных способах изготовления невозможно формирование каркаса из зерен алмаза или традиционных абразивных материалов. Поэтому круги, вспененной для образования пористости структуры, могут быть использованы только на чистовых операциях, для работы в качестве притира с охлаждением. К недостаткам относится и то, что при нагреве в процессе изготовления или работы такими кругами выделяются вредные вещества.
Для повышения работоспособности кругов в качестве пористой составляющей были предложены выпускаемые промышленностью полые сферические частицы (ПСЧ) из стекла, керамики и т.п. с высокой собственной пористостью = dпсч). Размеры частиц, их пористость могут меняться в широком диапазоне. Эта составляющая -пора конкретных размеров и оптимальной, с точки зрения прочности и размещения отходов шлифования, формы. При шлифовании и правке кругов ПСЧ вскрываются, достигая необходимой пористости режущей поверхности. Материалы, из которых изготавливаются частицы, имеют высокую адгезию к органическим связующим. Тем более, что ее можно повысить нанесением на ПСЧ адгезионно-активных покрытий. Такие частицы могут служить опорой для алмазных зерен и участвовать в образовании однородного каркаса. Введение ПСЧ не нарушает и не усложняет технологический процесс изготовления алмазных кругов, не влияет на его экологию. При перемешивании компонентов абразивной массы с предлагаемыми частицами создаются дополнительные поверхности скольжения, увеличивается подвижность массы, обеспечивается формирование равномерной структуры. Достигаемый в целом положительный эффект от ПСЧ позволяет использовать их в широком диапазоне и получать необходимые структуры для различных операций без смазочно-охлаждающих жидкостей.
Для режимно-инструментального обеспечения операции заточки и переточки твердосплавного напайного инструмента и формирования необходимого межзернового пространства режущей поверхности в состав алмазных кругов на основе структуры из комбинированного абразивного каркаса (рисунок 3) были введены стеклянные ПСЧ пористостью 90-95% [3]. С помощью экспресс-методики летучего шлифования была оптимизирована структура кругов при совместном шлифовании твердого спла-
Рисунок 1 - Структура алмазных серийных кругов Рисунок 2 - Структура алмазных серийных кругов 200%-й
100%-й концентрации зернистости / концентрации зернистости /
Кз = 0,25; К = 0,75; Кп «0 К = 0,5; К = 0,5; К « 0
3 ее п з ' ' св ' ' п
связка
зерна Опционны, абразивов
зерна алмазов
лоры
Рисунок 3 - Структура кругов с комбинированным каркасом
Кз = 0,25;
Ксв = 0,75;
и ^ ; . Н" 0
ва ВК8 и стали 45Х. Ее параметры (рисунок 5) с Кз = 0,25 и пористостью от 17 до 22% определены соотношениями: dп/dз = 0,8 - 1,0; Ксв/Кп = 2,5 - 3,5. Здесь на каждое алмазное зерно приходится своя пора, равная размеру зерна, а объем межзернового пространства режущей поверхности кругов (по сравнению с серийными) увеличивается в 3 раза. Подобная структура в наибольшей степени обеспечивает свободное размещение и удаление снимаемой стальной стружки и, как следствие, меньшую термосиловую напряженность процесса шлифования операции заточки.
Лабораторные и производственные испытания кругов пористой структуры с ПСЧ показали, что они обладают высокой режущей способностью и при работе без охлаждения позволяют фактически исключить брак по сколам и трещинам твердого сплава, снизить шероховатость шлифуемой поверхности - в среднем на 0,20 мкм), повысить производительность обработки. Так, за счет внедрения кругов в производство удалось повысить режимы резания и, как следствие, производительность заточки (переточки) металлорежущего инструмента в 2 раза, увеличить стойкость обработанного инструмента в 1,25
Рисунок 4 - Формиуованиу пористусти вспениванием абразивной массы: ап - произвольно; Кз = 0,25; Ксв = 0,65; Кп = 0,1
раза, уменьшить расход алмазных кругов в среднем в 1,8 раза.
Структура повышенной от 25 до 36% пористости (рисунок 6) была сформирована при использовании стеклянных и керамических ПСЧ с полимерным (эпоксидная смола) и металлическим (титан, никель и т.п.) покрытиями (а.с. СССР №1823348). Ее параметры заданы соотношением составляющих: Кз = 0,25; размеров пор и зерен алмазов как 0,66 - 1,0 и объема связки к объему ПСЧ в пределах 1,1 - 1,95, то есть dп/dз = 0,66 - 1,0; Ксв/Кп = 1,1 - 1,95. В предлагаемом каркасе пористость алмазного инструмента достигает пористости алмазных кругов на керамических связках. По своему внутреннему строению эта структура похожа на структуру кругов 200%-й концентрации (рисунок 2), только с заменой половины зерен алмазов на ПСЧ.
Принятое соотношение позволяло получить каркас на стадии формования рабочего слоя. Поэтому необходимо было повысить прочность самих ПСЧ и прочность их адгезии со связкой, что и было достигнуто за счет нанесения на частицы покрытий. При шлифовании твердого сплава ВК8 круги с повышенной пористостью, по сравне-
с вязка
зерна алмазов
ПСЧ
ПСЧ с покрытием
Рисунок 5 - Структура кругов с ПСЧ: Кз = 0,25; d/dз = 0,8 + 1,0; Кс/Кп = 2,5 + 3,5
Рисунок 6 - Структура круиов повышенной пористости из ПСЧ с покрытием: Кз = 0,25; = 0,66 1,0; Ксе/Кп = 1,1 1,95
из зерен величиной аз
нию с кругами по а.с. СССР №1355470 пористостью до 25%, позволили снизить удельный расход алмазов в среднем в 2 раза и шероховатость обработанной поверхности с Ra = 0,12 до Ra = 0,06 мкм.
Список литературы
1 Курдюков В. И., КоротовскихВ. К. Повышение производительности
шлифования алмазными кругами на органической связке // СТИН. 1999. №12. С. 23-25.
2 Курдюков В. И., Коротовских В. К. Методы получения
высокопористых структур шлифовальных инструментов из СТМ на органических связках // Сверхтвердые материалы. 1993. №4. С. 30-35.
3 Курдюков В. И., Коротовских В. К. Высокопористые алмазные круги
для операции заточки твердосплавного напайного инструмента // Инструмент и технологии. 2002. №9-10. С. 144-147.
УДК 621.86.065.4+531
С.В. Марфицын, В.П. Марфицын
Общество с ограниченной ответственностью
«ДЕЛЬТА»
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАЗГРУЗОЧНОГО КРУГОВОГО КОЛЬЦА НА ПРОЧНОСТЬ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ УСТЬЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА
Аннотация. Рассматривается вопрос о преимуществах использования разгрузочного кругового кольца во фланцевых соединениях устьевого оборудования для добычи нефти и газа по патенту RU2416751C1 в сравнении с традиционной конструкцией фланцевого устьевого соединения по ГОСТ 28919-91.
Ключевые слова: фланцевое соединение, разгрузочное круговое кольцо, прочность, преимущества.
S.V. Marfitsyn, V.P. Marfitsyn Delta, LLC
ASSESSMENT OF THE UNLOADING CIRCULAR RING EFFECT ON STRENGTH OF THE FLANGE CONNECTION OF THE WELLHEAD EQUIPMENT FOR OIL AND GAS PRODUCTION
Abstract. The work considers advantages of the unloading circular ring in flange connections of wellhead equipment for oil and gas production according to the patent RU2416751C1 in comparison with the traditional construction of the wellhead flange connection according to GOST 28919-91.
Keywords: flange connection, unloading circular ring, strength, advantages.
Традиционные соединения устьевого оборудования являются соединениями фланцевого типа по ГОСТ 2891991 [1]. Эти соединения имеют тарельчатые фланцы, соединенные между собой через прокладку резьбовыми шпильками. В них фланцы работают на изгиб. Недостатками такой конструкции являются большие изгибающие усилия, передаваемые на корпус аппарата и ослабляющие его.
Альтернативным соединением устьевого оборудования являются затворы по патенту RU2416751d [2]. В этих соединениях изгибные усилия воспринимаются разгрузочным круговым кольцом, которое разгружает обечайку корпуса аппарата и значительно уменьшает их, а также полностью берет на себя моментную нагрузку от ответного фланца.
Установка разгрузочного кругового кольца показана на рисунке 1.
Для сравнения рассмотрим две конструкции: одну традиционную, а вторую по указанному выше патенту с кинематической схемой, описанной в работе [3]. В каче-
1 - Захват; 2 - наружное кольцо; 3 - разгрузочное круговое кольцо; 4 - фланец ответный Рисунок 1 - Установка разгрузочного кругового кольца
