CC BY
45
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621 923
Н.В. Байдакова, Д.Р. Бикпавленова, С.А. Крюков
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ИННОВАЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ИМПРЕГНИРОВАНИЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА
Представлены результаты исследования влияния внешних факторов и структурно-механических свойств абразивного инструмента на процессы смачивания и пропитывания. Предложен инновационный способ импрегни-рования, повышающий эксплуатационные свойства абразивного инструмента на керамической связке.
Абразивный инструмент, импрегнирование, адгезия, смачивание, пропитывание.
N.V. Baydakova, D.R. Bikpavlenova, SA. Kryukov TECHNOLOGICAL BASES AND INNOVATIONAL METHODS OF ABRASIVE TOOL IMPREGNATION
The authors present the external factors influence and structural-mechanical abrasive tool properties to the moistening and saturating processes and also suggest innovational impregnation method heightening operational properties of ceramic bond based abrasive tools.
Abrasive tool, impregnation, adhesion, moistening, saturation.
В процессах механической обработки на операциях шлифования труднообрабатываемых материалов получает все большее применение импрегнированный абразивный инструмент, особенно, когда использование специальных смазочно-охлаждающих жидкостей -СОЖ, регулирование режимами резания и т.п. при шлифовании недостаточно эффективны.
Однако серийный импрегнированный абразивный инструмент зачастую не полностью удовлетворяет требованиям производства по равномерности пропитки инструмента из-за слабого удержания импрегнатора в порах круга или неполноты пропитки. В связи с этим совершенствование технологии импрегнирования абразивных инструментов является актуальной проблемой.
Одним из основных вопросов при разработке технологии импрегнирования является исследование физических процессов пропитывания абразивного инструмента, которые до сих пор остаются малоизученными.
Аналитический обзор [2, 8-10] по технологии и физико-химическим основам процессов смачивания и пропитывания различных материалов и тел позволил разработать струк-
турную схему влияния внешних факторов на эти процессы (рис. 1). Схема включает в себя физико-химические свойства жидкости и поверхности твердого тела, свойства их межфазно-го контакта, а также различные внешние воздействия, влияющие на процессы смачивания и пропитывания.
Из схемы (рис. 1) видно, что при заданных свойствах жидкости и твердого тела на смачивание и пропитывание дополнительное и определяющее влияние оказывают свойства их межфазного состояния и внешние физико-химические воздействия.
Известно, что способность жидкости смачивать данную поверхность принято называть смачиванием и обозначать через В:
B = соб9 =
(0ТГ °ТЖ)
а
(1)
ЖГ
где 9 - краевой угол смачивания; оТГ, оТЖ, сЖГ - поверхностное натяжение «твердое тело -газ», «твердое тело - жидкость», «жидкость - газ».
Рис. 1. Структурная схема влияния внешних факторов на процессы смачивания и пропитывания
Если во время смачивания составы жидкой и твердой фаз не меняются, то остаются постоянными поверхностные натяжения жидкости на границе с твердым телом и газом. В случае нахождения на поверхности твердого тела адсорбционной влаги и загрязнений происходит понижение поверхностного натяжения твердое тело - газ. Адсорбционный слой влаги и загрязнений экранирует силы молекулярного притяжения, действующие со стороны твердого тела на жидкость. Поэтому уравнение (1) с учетом адсорбции принимает вид [9]:
соб 9 =
Ґ
аТГ - RT| Ш 1п p I - аТ
о,
(2)
где R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; Г - удельная адсорбция; р - давление адсорбата при постоянной температуре.
Работами ряда исследователей [1, 4, 9] показано, что присутствие адсорбционного слоя на поверхности фаз, в частности, на границе «газ - твердое тело» вызывает измеримые изменения межфазного потенциала, что сказывается отрицательно на процессах смачивания и пропитывания.
Наряду со способностью жидкости смачивать данную поверхность надо рассмотреть и механизм процесса растекания этой жидкости по поверхности для выяснения причин, влияющих на пропитывание твердого тела.
Скорость растекания зависит от соотношения движущих сил и сил сопротивления. При полном смачивании движущая сила растекания Да равна:
Да — <зтг — отж — ажг . (3)
Видно, что изменение поверхностных натяжений вследствие разной природы сил взаимодействий между веществами или внешних физико-химических воздействий в значительной мере будет определять значение движущей силы растекания, т.е. влиять на процесс пропитывания.
Другим немаловажным фактором, влияющим на процесс и качество пропитывания, является адгезия жидкости к поверхности твердого тела. Величина адгезии также зависит от поверхностного натяжения (поверхностной энергии) как жидкости, так и твердого тела. Величину энергии адгезии ДА можно определить по формуле Юнга:
ДА — а жг (1 + cos 9). (4)
Чем больше для данных значений поверхностных натяжений твердого тела и жидкости работа их адгезии, тем меньше их межфазное натяжение, что будет способствовать лучшему смачиванию поверхности и увеличению скорости пропитывания.
Анализ различных теорий пропитывания пористых систем [2] показывает, что максимальная высота и скорость поднятия жидкости в пористом теле, в первую очередь, зависят от способности заданной жидкости смачивать данную поверхность. Максимальная высота поднятия жидкости hmax определяется по формуле:
2а cos 9
hmax — -----------------------------------------------, (5)
r Р g
где r - радиус капилляра; р - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести.
Скорость впитывания (поднятия) жидкости dh/dt в пористом теле можно определить по уравнению Уошбурна:
dh 2аr cos 9
(6)
где ц - вязкость жидкости; или по уравнению Дерягина:
dt 8 ц h
dh — KF а cos 9 (7)
~dt ~ 5h , ( )
где К - коэффициент фильтрации по Дарси; F - удельная поверхность пор; 5 - отношение объема пор ко всему объему тела; h - толщина пропитанного слоя.
Видно, что во всех случаях при постоянных значениях r, р, ц, 5, К, F смачивание cos 9 будет определять кинетику процесса пропитывания пористого тела.
Таким образом, из числа внешних физико-химических воздействий адсорбция и загрязнение внешней и внутренней поровой поверхностей абразивного инструмента будут оказывать отрицательное влияние на процесс пропитывания за счет снижения смачивания и энергии адгезии.
На сегодняшний момент управление смачиванием может осуществляться с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), поляризации и облучения, а также применения химических методов (рис. 1). Однако изменения смачивания, вызванные этими воздействиями, нестабильны и исчезают через непродолжительное время [3, 9, 1]. По утверждению [1], единственным эффективным управляющим воздействием, положительно влияющим на смачивание и растекание жидкости, является термообработка (прокалка). Термический метод очистки наружных и внутренних поверхностей пористого тела способен полностью снять относительно толстые адсорбционные слои влаги и других загрязнений. Это утверждение хорошо подтверждается рядом работ [7, 5] по изучению капиллярности абразивных материалов.
Одним из наиболее распространенных материалов для импрегнирования является сера.
Для экспериментального изучения кинетики пропитывания расплавом серы абразивного инструмента в зависимости от температуры термообработки первоначально определялся краевой угол смачивания.
Таблица 1
Влияние режима термообработки образцов инструмента на краевой угол смачивания расплава серы
Варианты опытов Температура расплава серы, °С Краевой угол смачивания 0, °
Нагрев до 150°С 145 40 ± 2
Нагрев до 250°С и охлаждение до 150°С 145 32 ± 2
Нагрев до 500°С и охлаждение до 150°С 145 13 ± 2
Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что в зависимости от состояния поверхности абразивного инструмента до и после термообработки краевой угол смачивания расплава серы изменяется в достаточно большом диапазоне. Нагрев инструмента до 250°С перед его пропиткой расплавом серы, как это делается в производственных условиях ВПЗ-15, не дает существенного снижения краевого угла смачивания. Это можно объяснить тем, что, несмотря на то, что адсорбционная влага удаляется с поверхности инструмента при температуре примерно 200...250°С, остальные загрязнения органического и неорганического происхождения с гладких и пористых поверхностей полностью удаляются только при температуре выше 400...500°С [1].
Известно, что адгезия жидкости к поверхности твердого тела является случаем более общего явления процесса смачивания, а также оценкой технологичности жидкости в процессах пропитывания и импрегнирования. В связи с этим были проведены эксперименты по определению адгезии расплава серы к образцам, изготовленным из одной керамической связки без абразивных зерен.
Анализ результатов, представленных в табл. 2, показывает, что адгезия серы к керамической связке в сильной степени зависит от состояния и чистоты ее поверхности.
Очистка поверхности керамической связки от адсорбционного «загрязнения» при помощи спирта и бензина позволила повысить адгезию серы в 2,2...2,3 раза. Термообработка поверхности при Т = 250°С увеличила адгезию примерно в 2 раза. Термообработка при Т = 500°С дала увеличение адгезии в 5,1 раза по сравнению с исходной поверхностью за счет полного удаления с поверхности керамической связки адсорбционных «загрязнений» органического и неорганического происхождения.
Таким образом, очищая поверхность порового пространства абразивного инструмента от различных загрязнений, можно в достаточно широких пределах изменить смачиваемость и адгезию расплава серы, а, следовательно, и улучшить пропитывание и качество импрегнирования.
Таблица 2
Величина адгезии серы к керамической связке
Варианты испытаний Адгезия Р, Н/м Среднеквадратическое отклонение ст, Н/м Доверительный интервал при Р = 0,95
1. Исходная поверхность 33,2 10,1 28,0...38,4
2. Поверхность, обработанная спиртом 76,4 12,0 71,1...81,7
3. Поверхность, обработанная бензином 74,7 13,5 69,1.80,3
4. Термообработанная поверхность при Т= 250°С 65,3 14,1 58,7.71,9
5. Термообработанная поверхность при Т= 500°С 169,5 12,2 165,1 .173,9
Далее при изучении механизма процесса пропитывания нами определялись кинетические зависимости высоты капиллярного поднятия расплава серы по вертикально установленному образцу от времени. Для этих целей использовались вырезанные из шлифовальных кругов 25А25СМ2К5 и 25А16СМ2К5 образцы разного срока хранения размером 120x20x10 мм. На рис. 2 показаны отдельные кривые зависимостей высоты поднятия расплава серы от времени в образцах инструмента с различным сроком хранения и термообработанных при 500°С.
Анализ этих зависимостей показывает следующее. Во всех случаях в начальный момент высота поднятия расплава серы быстро увеличивается, а затем замедляется, приближаясь к некоторой максимальной величине. Это свидетельствует о том, что кривые кинетики пропитывания пористых образцов абразивного инструмента аналогичны кривым зависимостей высоты поднятия жидкости в капиллярных системах, определяемых по уравнениям (6) и (7). Если проинтегрировать эти уравнения при постоянных г, ^, 0, р, 5, К, ¥, то получим следующую зависимость:
И = ку/1, (8)
где к - коэффициент пропорциональности.
Представленные на рис. 3 зависимости высоты поднятия И от V! хорошо подтверждают вышесказанное и доказывают применимость уравнений (6) и (7) для определения
скорости капиллярного пропитывания абразивного инструмента расплавом серы.
Как видно из рис. 2, на кинетику процесса пропитывания образцов инструмента существенное влияние оказывают их зернистость, сроки хранения и термообработка. С увеличе-
20
15
к « о с
Л
В 10
Л
т
6 а/ /д □X 5
А 3^^
2
1
0 40 80 120 /, с
Время пропитки
Рис. 2. Кинетика пропитывания образцов расплавом серы:
1, 2, 3 - 25А16СМ2К5;
4, 5, 6 - 25А25СМ2К5; 1,4 - исходные образцы (30 сут.); 2, 5 - исходные образцы (10 сут.); 3, 6 - термообработанные образцы (500°С)
И
мм
5
нием срока хранения высота подъема расплава серы уменьшается из-за адсорбционного загрязнения пор. Термообработанные образцы пропитываются на большую высоту, чем исход -ные. Во всех случаях образцы инструмента зернистостью 25 пропитываются с большей скоростью, чем образцы с зернистостью 16, обладающие меньшей площадью сечения пор.
20
к
н
«
и
«
о
с
ей
Н
О
О
3
и
15
10
а/
у3 0//^2
4 $4/
0 3 6 9
Время пропитки
а,
Рис. 3. Зависимость высоты поднятия Л расплава серы от V! (исходные образцы, 10 суток хранения): 1, 2 - 25А16СМ2К5; 3, 4, - 25А25СМ2К5
Температура
Рис. 4. Зависимость скорости пропитывания от температуры термообработки образцов: ▲ - 25А25СМ2К5; • - 25А16СМ2К5
На рис. 4 показана зависимость скорости пропитывания образцов при И = 10 мм от температуры термообработки. Видно, что если у образцов зернистостью 25 существенно возрастает скорость пропитывания, начиная с 250 до 450°С, то у образцов зернистостью 16 с 350 до 500°С. Таким образом, интервал рациональной температуры термообработки абразивного инструмента зернистостью 16 и 25 перед их им-прегнированием следует считать 400.500°С.
Зависимость скорости пропитывания образцов исследуемого инструмента от срока хранения в производственных условиях показана на рис. 5.
Интенсивное снижение скорости пропитывания наблюдается в первые дни хранения до 10 суток. Это наводит на мысль о необходимости организации импрегнирования инструмента непосредственно на абразивных заводах в период охлаждения инструмента после его обжига в печах. В этот период абразивный инструмент будет иметь ювенильно- чистые наружные и внутренние поровые поверхности, что повысит полноту и качество его пропитывания импрегнатором, а совмещение операций охлаждения изготовленного инструмента и его импрегнирование позволит сэкономить
Срок хранения
Рис. 5. Изменение скорости пропитывания от срока хранения инструмента:
▲ - 25А25СМ2; • - 25А16СМ2
И
мм
5
с
значительное количество электроэнергии. Во всех остальных случаях на абразивных заводах необходимо организовать консервацию инструмента после его охлаждения, например, помещая его в воздухонепроницаемую упаковку с целью защиты от загрязнений во время транспортировки и хранения.
На основании полученных результатов исследований был разработан и запатентован инновационный способ пропитки, повышающий эксплуатационные свойства абразивного инструмента [6].
Сущность способа на примере импрегнирования инструмента на керамической связке расплавом серы заключается в следующем. Абразивный инструмент нагревают при температуре 450-500°С с выдержкой 20-30 минут для удаления адсорбционной влаги из пор и загрязнений с поверхности инструмента, затем охлаждают на воздухе до температуры расплава серы (140-150°С) и после этого инструмент подвергают импрегнированию, например, методом капиллярной пропитки.
Для выявления эффективности предлагаемого способа импрегнирования была проведена оценка степени и коэффициента пропитывания расплавом серы шлифовального круга, 25А16СМ2К5. Как показали результаты исследований, эти показатели по их средним значениям увеличиваются на 36% по сравнению с инструментами, импрегнированными по заводской технологии ВПЗ-15. Кроме этого, анализ результатов показывает, что шлифовальные круги, импрегнированные по заводской технологии, имеют неуравновешенные массы в 4 раза больше, чем серийные круги (непропитанные), в то время, как у кругов, им-прегнированных по предлагаемой технологии, неуравновешенные массы увеличились в среднем только в 1,33 раза, что допустимо в пределах одного класса неуравновешенности шлифовальных кругов.
Проведенные испытания импрегнированных кругов в производственных условиях ВПЗ-15 при шлифовании упорного борта внутреннего кольца подшипника на режимах по действующей технологии показали следующие результаты.
Круги, импрегнированные по инновационному способу, дают 80% колец без прожогов и 20% имеют штриховые прижоги, а круги заводского импрегнирования соответственно - 32 и 68%. Шероховатость обработанной поверхности кольца в обоих случаях отвечала требованиям согласно техническим условиям. Стойкость опытных кругов была в 1,3...1,5 раза выше стойкости кругов, импрегнированных по заводской технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения / А.С. Ахматов. М.: Физ-матгиз, 1963. 472 с.
2. Воюцкий С.С. Физико-химические основы пропитывания и импрегнирования волокнистых систем водными дисперсиями полимеров / С.С. Воюцкий. Л.: Химия, 1969. 336 с.
3. Дружина З.И. Импрегнированный абразивный инструмент на керамической связке для обработки деталей подшипников: дис. ... канд. техн. наук / З.И. Дружина. Волжский, 1985. 210 с.
4. Зимон А. Д. Адгезия жидкости и смачивание / А. Д. Зимон. М.: Химия, 1974. 416 с.
5. Кузнецов Ю.А. Термическая обработка абразивного зерна / Ю.А. Кузнецов // Абразивы. 1978. № 4. С. 9-10.
6. Пат. № 2164857, РФ В24 Д3/ 34, 2001 г. Способ повышения эксплуатационных свойств абразивного инструмента / В.М. Шумячер, В.И. Анохин, С. А. Крюков. 3 с.
7. Равикович В.В. Повышение капиллярности абразивных материалов термической обработкой / В.В. Равикович, Н.Н. Пискарева, Г.П. Мельникова // Абразивы. 1977. № 12. С. 10-12.
8. Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твердых тел / под ред. В.Н. Еременко, Ю.В. Найдича. Киев: Наукова думка, 1972. 348 с.
9. Сумм Б.Д. Физико-химические основы смачивания и растекания / Б.Д. Сумм, Ю.В. Горюнов. М.: Химия, 1976. 232 с.
10. Чувствительность механических свойств к действию среды / под ред. А. Вествуда и Н. Столова; пер. с англ.; под ред. Е.Д. Щукина. М.: Мир, 1969. 352 с.
Байдакова Наталья Васильевна -
доцент кафедры
«Моделирование, автоматика, информатика» Волжского института строительства и технологий (филиала)
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Baydakova Natalya Vasilyevna -
Assistant Professor of the Department of «Modeling, Automatics & Informatics» of Volzhsky Institute of Construction and Technologies (branch) of Volgograd State University of Architecture and Construction
Бикпавленова Дина Рамазановна -
доцент кафедры «Физика и электротехника»
Волжского института строительства и технологий (филиала)
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Крюков Сергей Анатольевич -
доцент кафедры «Технология машиностроения, стандартизация» Волжского института строительства и технологий (филиала)
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Bikpavlenova Dina Ramazanovna -
Assistant Professor of the Department of «Physics and Electrical Engineering» of Volzhsky Institute of Construction and Technologies (branch) of Volgograd State University of Architecture and Construction
Kryukov Sergey Anatolyevich -
Assistant Professor of the Department of «Technology of Machine-building and Standardization» of Volzhsky Institute of Construction and Technologies (branch) of Volgograd State University of Architecture and Construction
Статья поступила в редакцию 30.03.09, принята к опубликованию 29.06.09
