Повышение работоспособности отрезных шлифовальных кругов на основе использования шлифовальных зерен с контролируемой формой

В настоящее время отрезные шлифовальные круги на бакелитовой связке широко используются во всех областях народного хозяйства, в том числе данный тип инструмента нашёл обширное применение на заготовительных операциях при обработке изделий машиностроения. Этому способствует как универсальные способности данного инструмента, так и относительная доступность абразивных материалов, из которых он изготавливается.

В то же время анализ показывает, что эффективность применения существующих отрезных кругов могла бы быть значительно выше. Одна из основных причин такого положения состоит в недостаточной степени использования потенциальных возможностей компонентов отрезного круга и качестве образуемых ими композитов. Это, в первую очередь, связанно с работоспособностью его микрорежущих элементовшлифовальных зёрен, эффективность применения которых, как установлено, не превышает 10−20%.

При работе шлифовального инструмента, в частности отрезного круга, лишь часть абразивных зёрен, находящихся в его структуре, активно участвует в процессе резания, изнашиваясь по площадке или микроскалываясь. Остальные же зёрна практически не участвуют в процессе резания. Это, наряду с другими факторами, предопределяется тем, что зёрна нормального электрокорунда, используемые при изготовлении отрезных кругов на бакелитовой связке, несмотря на одинаковый номер зернистости, имеют произвольную конфигурацию, и, как следствие геометрию. Хаотичная форма и геометрия зёрен приводят к тому, что многие из них либо вообще не участвуют в резании, выкрашиваясь и вылетая из связки, либо деформируют и нагревают металл, не срезая его. Поэтому повышение эксплуатационных характеристик отрезных шлифовальных кругов на основе использования шлифовальных зёрен с контролируемой и упорядоченной формой является актуальной проблемой.

Важность влияния формы шлифовального зерна на его физико механические и режущие свойства отмечается в работах Ваксера Д. Б.,.

Рыбакова A.B., Никитина Ю. И., Резникова А. Н., Гаврилова Г. М., Филимонова JI.H., Короткова А.Н.

Цель диссертационной работы состоит в повышение работоспособности отрезных шлифовальных кругов на основе использования шлифовальных зёрен с контролируемой формой.

Общая методика исследований:

1. Анализ и обобщение результатов научных работ по вопросу изучения влияния физико — механических свойств абразивного материала из электрокорунда на эксплуатационные характеристики шлифовальных инструментов на бакелитовой связке.

2. Исследование параметра коэффициент формы (Кф) шлифовальных зёрен нормального электрокорунда, используемых при изготовлении отрезных шлифовальных кругов на бакелитовой связке.

3. Исследование эксплуатационных характеристик экспериментальных отрезных кругов, содержащих в своей структуре классифицированные по форме шлифовальные зёрна нормального электрокорунда.

4. Разработка на основе стохастического моделирования математических моделей, позволяющих отразить влияние коэффициента формы (Кф) шлифовального зерна на интенсивность съёма металла, износ, коэффициент шлифования, эффективную мощность, затрачиваемую на шлифование, теплонапряженность процесса отрезки и разрывную прочность отрезных кругов.

Достоверность научных положений выводов и результатов обоснованна и подтверждается большим количеством экспериментальных данных, лабораторных и производственных испытаний. Достоверность и воспроизводимость опытов подтверждается результатами математической обработки полученных экспериментальных данных.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Классифицирование шлифовальных зёрен и целенаправленный подбор их формы, как средство упорядочение геометрии зёрен и как путь повышения работоспособности каждого отдельного зерна и всего инструмента в целом.

2. Технология и оборудование для изготовления экспериментальных отрезных шлифовальных кругов, содержащих в своей структуре зёрна с одинаковым коэффициентом формы.

3. Методика проведения испытаний опытных отрезных кругов, содержащих в своей структуре классифицированные по форме шлифовальные зёрна.

4. Результаты исследований влияния коэффициента формы (Кф) шлифовального зерна нормального электрокорунда на эксплуатационные характеристики отрезных шлифовальных кругов на бакелитовой связке.

5. Математические модели, отражающие влияние коэффициента формы (Кф) шлифовального зерна на эксплуатационные характеристики отрезных кругов на бакелитовой связке.

6. Рекомендации по повышению работоспособности отрезных шлифовальных кругов на основе классифицирования и подбора шлифовальных зёрен по форме.

7. Опытные отрезные шлифовальные круги 230x3x22 13А63Н [Кф] СТЗ БУ, обладающие в 1,4 ч- 2,3 раза более высоким коэффициентом шлифования (Кщ) чем стандартный отечественный инструмент, такого же типа и назначения, что подтверждают лабораторные и производственные испытания.

Научная новизна работы:

Усовершенствована методика вибрационного сепарирования шлифовального зерна по признаку формы, позволяющая улучшить качество разделения абразивного материала по форме. Установлена закономерность и особенности распределения по форме шлифовальных зёрен нормального электрокорунда различных зернистостей и разных производителей, используемых при изготовлении отрезных кругов на бакелитовой связке.

Усовершенствована технология изготовления отрезных шлифовальных кругов, включающая этап предварительной сортировки и целенаправленного отбора зёрен по признаку формы.

Разработана новая конструкция отрезных шлифовальных кругов, имеющих в своём составе зёрна с контролируемой, одинаковой и специально подбираемой формой и обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками.

Разработана методика по оценке эксплуатационных характеристик отрезных кругов на бакелитовой связке, с контролируемой формой шлифовальных зёрен.

Установлено влияние формы шлифовального зерна на эксплуатационные характеристики отрезных кругов (интенсивность съёма металла, износ, коэффициент шлифования, разрывную прочность, теплонапряженность процесса отрезки и эффективную мощность, затрачиваемую на шлифование).

Разработаны математические модели, позволяющие отразить влияние коэффициента формы (Кф) шлифовального зерна на эксплуатационные характеристики отрезных кругов на бакелитовой связке.

Практическая ценность работы:

1. Разработан и изготовлен модернизированный сепаратор для вибрационной классификации шлифовальных зёрен по форме, позволяющий качественно осуществлять эту операцию для абразивов различных марок и зернистостей.

2. Разработан испытательный комплекс, позволяющий всесторонне оценивать эксплуатационные характеристики отрезных шлифовальных кругов.

3. Разработаны рекомендации по подбору величины коэффициента формы (Кф) шлифовальных зёрен нормального электрокорунда, позволяющие повысить эксплуатационные показатели отрезных шлифовальных кругов на бакелитовой связке.

4. Изготовлена партия экспериментальных шлифовальных кругов, 230x3x22 13А63Н [А^] СТЗ БУ, обладающих в 1,4 — 2,3 раза более высоким коэффициентом шлифования (Кщ) по сравнению со стандартными кругами, что подтверждено результатами производственных испытаний на ряде машиностроительных предприятий.

Внедрение.

Результаты работы в виде рекомендаций внедрены в технологический процесс изготовления отрезных кругов на ООО «Юргинские абразивы» (г. Юрга). Экспериментальный инструмент внедрён на ОАО «НИИВЭМ» (г. Кемерово) — ОАО «КЕМЕРОВОХИММАШ» (г. Кемерово) — СПК «Инструмент» (г. Прокопьевск) — ООО «Техноцентр» (г. Прокопьевск) — ООО «Запсибтехмонтаж» (г. Прокопьевск) на операциях отрезки деталей и заготовок различного профиля.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на межрегиональной научно — практической конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (г. Бийск, 2001, 2002 г. г.) — на всероссийской научно — практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2001 — 2004 г. г.) — на областной научной конференции «Молодые учёные Кузбассу» (г. Кемерово 2003 г.) — на II Всероссийской научно — практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки на современном этапе» (г. Новосибирск 2004 г.). Основные положения работы обсуждены на техсоветах: ОАО «НИИВЭМ» (г. Кемерово 2004 г.) — ООО «Юргинские абразивы» (г. Юрга 2004 г.) — на научных семинарах кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» КузГТУ (2001 — 2004 г. г.). По теме диссертации пройдена научная стажировка в Техническом университете г. Кемнитц и на фирме по изготовлению отрезных кругов «Rottluff» (Германия), где также рассматривались и обсуждались результаты данной работы.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. В первой главе приведён аналитический обзор по вопросам конструкции, типоразмеров, внутреннего строения, технологии изготовления и области применения, отрезных шлифовальных кругов на бакелитовой связке. Выполнен анализ работ посвящённых исследованию физико — механических свойств шлифовальных зёрен и их влияния на работоспособность шлифовального инструмента на бакелитовой связке. Рассмотрены вопросы прочности и стойкости шлифовального инструмента. Во второй главе рассмотрены методы и физические основы разделения мелких частиц по признаку формы и обосновано применение метода вибрационной сепарации для классификации шлифовального зерна по признаку формы. В третьей главе приведены результаты исследований формы шлифовальных.

5.4. Выводы.

1. Методы стохастического моделирования устанавливают количественные закономерности влияния структуры материала на износ от различных внешних параметров.

2. Метод множественной корреляции позволяет построить многофакторные модели с хорошо обусловленной системой линейных уравнений и установить корреляционные связи между параметрами и контролировать их влияние на образование уравнения формы в многофакторном регрессионном уравнении.

3. Установлено, что коэффициент шлифования (Кщ) и износ (дII) отрезных кругов линейно зависят от твердости обрабатываемой заготовки (НВ), скорости резания (Ур) и нелинейно зависят от коэффициента формы (Кф) шлифовального зерна.

Результаты моделирования показали, что коэффициент формы (Кф) шлифовального зерна, скорость резания (Ур) и твердость обрабатываемой заготовки (НВ) весьма неоднозначно влияют на выходные параметры шлифования: повышение значения коэффициента формы (Кф) шлифовального зерна приводит к снижению времени одного прохода (0, росту интенсивности съёма металла ((2т), снижению температуры в зоне среза (Т°С), повышению эффективной мощности (1¥-е), затрачиваемой на шлифование, и, в тоже время, значительному увеличению износа (А и) и, как следствие, снижению значения коэффициента шлифования (Кщ). уменьшение скорости резания (Ур) приводит к увеличению времени одного прохода снижению интенсивности съёма металла (()"), снижению эффективной мощности (№е), затрачиваемой на шлифование, и, в тоже время, к увеличению износа (А11) и соответственно снижению значения коэффициента шлифования (Кщ). увеличение твёрдости обрабатываемого материала (НВ) приводит к повышению износа (А и) и пропорциональному снижению коэффициента шлифования (Кщ). Зависимости интенсивности съема металла (()") от прилагаемой нагрузки (Р) описываются кривыми Перла. Значения точек перегиба функции, при которых осуществляется интенсивный съем металла составляет: для Стали 10 Р = 3,972 кгсСтали ШХ15 Р = 3,999 кгсСтали 12Х18Н10Т Р = 3,843 кгс.

Результаты моделирования показали, что разрывная прочность (Ы) отрезных шлифовальных кругов, содержащих в своей структуре шлифовальные зёрна с различным коэффициентом формы (Кф), линейно зависит от предельных значений скорости вращения кругов, при которых осуществляется их механическое разрушение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная диссертация является законченной научной работой, в которой содержится новое решение актуальной задачи повышения работоспособности отрезных шлифовальных кругов, на стадии их изготовления, посредством использования классифицированного по форме шлифовального зерна из нормального электрокорунда.

Рекомендации, разработанные на основе полученных экспериментальных данных, дают возможность на стадии изготовления инструмента формировать его будущие эксплуатационные характеристики. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Оценка свойств шлифовальных зёрен только по параметрам «марка абразива» и «зернистость» (ГОСТ 3647 — 80) не гарантируют получение качественных, конкурентоспособных отрезных шлифовальных кругов на бакелитовой связке, так как зёрна даже одного номера зернистости имеют различную конфигурацию, изменяющуюся от изометрической до игольчатой разновидностей. Развёрнутых и полных исследований по вопросу влияния формы зерна на эксплуатационные характеристики отрезных шлифовальных кругов на бакелитовой связке до настоящего времени нет.

2. Модернизирована методика вибрационной сепарации шлифовальных зёрен по признаку формы и создана установка, реализующая на практике её принципы и позволившая качественно отсортировать по форме свободный абразив из нормального электрокорунда различных зернистостей и разных производителей.

3. Применение методики оценки формы зерна с помощью параметра «коэффициент формы» и использованная для этих целей специальная компьютерная программа «2егпо», позволили количественно оценить фактическую форму зёрен из нормального электрокорунда разных зернистостей, как отечественных, так и зарубежных производителей.

Усовершенствована технология изготовления отрезных шлифовальных кругов, путём введения операции предварительной сортировки зёрен по признаку формы.

Создан комплекс оборудования, включающий вибросепаратор, смеситель, пресс, электропечь, позволяющий на практике реализовать технологию изготовления экспериментальных кругов из шлифовальных зёрен с контролируемой формой.

Разработана новая конструкция отрезного шлифовального круга, состоящего из зёрен с контролируемой, одинаковой и специально подбираемой формой, на которую подана заявка на патент РФ, которая гарантирует повышение эксплуатационных характеристик инструмента.

Производственные испытания экспериментальных отрезных кругов показали их полное соответствие требованиям, предъявляемым ГОСТ 21 963– — 82 к данному типу инструмента. А именно: отклонение наружного диаметра О отрезных кругов колебалась в диапазоне ±2,5 мм, неравномерность высоты круга находилась в пределах ±0,3 мм, отклонение диаметра посадочного отверстия находилось в пределах + 0,3 ммкласс неуравновешенности экспериментальных кругов по ГОСТ 3060– — 75 соответствовал 1−2 классузвуковой индекс составлял 35 — 37 единиц, что соответствует твёрдости СТЗ — Т1- по разрывной прочности круги соответствовали ГОСТ 12.3.028 — 82 и при вращении на скорости, превышающей в 1,5 раза рабочую скорость вращения инструмента, разрыва кругов не наблюдалось. Разработана методика комплексной оценки экспериментальных кругов и создан испытательный стенд на базе станка ЗА64Д для её реализации, позволивший всесторонне изучить работоспособность новых инструментов по ряду важных показателей.

В частности установлены и изучены зависимости интенсивности съёма металла, объёмного износа, эффективной мощности, затрачиваемой на шлифование, теплонапряжённости процесса отрезки и коэффициента шлифования от формы зерна, скорости резания, нагрузки резания и твёрдости обрабатываемого материала. Установлено, что: при изменении формы шлифовального зерна, находящегося в структуре инструмента, от изометрической до игольчатой разновидности, интенсивность съёма металла в единицу времени возрастает в среднем в 1,19 раза при обработке всех видов сталей, увеличение твёрдости обрабатываемой стали с НВ 107 до НВ 229, приводит к уменьшению в 1,3 раза интенсивности съёма металла, в зависимости от формы шлифовального зерна, находящегося в структуре отрезного кругаработа отрезными кругами, содержащими в своей структуре зёрна с различным коэффициентом формы, сопровождается разными режимами износа рабочего слоя инструмента. Так, работа кругами с изометрической формой зерна сопровождается режимом частичного самозатачивания (р.ч.з.), циклически переходящего в режим затупления (р.з.), что наиболее приемлемо в процессах шлифования. Работа же кругами с игольчатой разновидностью зерна сопровождается режимом самозатачивания (р.с.з.), граничащего с режимом аварийного износа (р.а.и.), что приводит к неэффективной работе инструментаосновной комплексный параметр, оценивающий работоспособность отрезных кругов, коэффициент шлифования (Кщ), возрастает в 1,75 — 2 раза, при переходе от кругов с игольчатой формой зерна к кругам с изометрической разновидностью шлифовальных зёрен, а по отношению к стандартным кругам с Кф «1,75 коэффициент шлифования возрастает в 1,7 раза. Причём, при переходе к более твёрдой стали наблюдается снижение значения (Кщ) в 1,3 раза при работе всеми видами опытных образцов отрезных круговизнос Ш отрезных кругов при переходе от изометрической формы зерна (Кф «1,2) к игольчатой разновидности (Кф «2,2) возрастает в среднем в 2 раза. А изменение твёрдости обрабатываемой заготовки с меньшей на большую приводит к пропорциональному повышению износа инструментапереход от работы кругами с изометрической формой зерна (Кф «1,2) к кругам с игольчатой разновидностью зерна (Кф «2,2) сопровождается ростом, в среднем, на 15% эффективной мощности (Же), затрачиваемой на шлифование. При увеличении твёрдости обрабатываемой заготовки эффективная мощность (Т?е) снижается, в среднем, на 11%- при увеличении твёрдости обрабатываемой заготовки, а также при переходе от зерна игольчатой формы (Кф ~ 2,2) к зерну изометрической формы (Кф «1,2) температура детали в зоне резания, в процессе отрезки, возрастает незначительно, в среднем, на 15 — 20% раза, а при переходе от стандартного круга {Кф «1,75) к кругу с (Кф «1,2) в среднем на 9%. анализ проведённых исследований разрывной прочности (Ы) экспериментальных отрезных кругов, говорит о том, что все типы опытных образцов выдерживают предусмотренное.

ГОСТ 12.3.028 — 82 испытание на разрыв. Немного большую относительную разрывную прочность на 7 — 8% в данном случае показали круги с игольчатой разновидностью шлифовального зерна, как показали проведённые исследования, использование при изготовлении отрезных кругов 230x3x22 13А63Н [Кф] СТЗ БУ на бакелитовой связке классифицированного по форме шлифовального зерна 13А63 изометрической формы (Кф «1,2) повышает (в 1,4 -г- 2,3 раза), по отношению к серийно выпускаемому инструменту, основной показатель работоспособности данного типа инструмента коэффициент шлифования (Кщ).

Разработанные математические модели на основе метода стохастического моделирования, позволяют прогнозировать влияние коэффициента формы (Кф) шлифовального зерна 13А63 на эксплуатационные характеристики отрезных шлифовальных кругов. Полученные результаты исследований в виде рекомендаций по повышению работоспособности отрезных кругов на основе подбора наиболее оптимальной формы шлифовального зерна при изготовлении отрезных кругов на бакелитовой связке внедрены в технологический процесс изготовления данного типа инструмента на ООО «Юргинские абразивы» что позволяет повысить эксплуатационные показатели изготавливаемого инструмента. Экспериментальные круги внедрены на ряде машиностроительных предприятий: ОАО «КЕМЕРОВОХИММАШ» (г. Кемерово) — ОАО «НИИВЭМ» (г. Кемерово) — СПК «Инструмент» (г. Прокопьевск) — ООО «Техноцентр» (г. Прокопьевск) — ООО «Запсибтехмонтаж» (г. Прокопьевск), где доказали своё преимущество по ряду показателей по сравнению с обычным инструментом такого же типа и назначения.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Короткое А. Н., Дубов Г. М. Влияние технологии изготовления шлифовальных зёрен на их эксплуатационные показатели // Труды XIII научной конференции филиала Томского политехи, ун — та. Юрга 2001. С. 100 — 102.

2. Короткое А. Н., Дубов Г. М., Есин Е. В., Бачков Е. А. Метод ориентации абразивных зёрен с контролируемой формой // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении. Материалы межрегиональной научнопрактической конф. 2001 г. Алт. гос. техн. ун — т, БТИ. Бийск. 2001. — С. 10 — 12.

3. Короткое А. Н., Дубов Г. М., Баштанов В. Г. Универсальная методика оценки эксплуатационных показателей отрезных шлифовальных кругов // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении. Труды региональной научно — практической конференции. Филиала ТПУ. Юрга 2002. -С. 85−86.

4. Короткое А. Н., Баштанов В. Г., Дубов Г. М., Павловец К. А., Шатько Д. Б. Модернизированный вибрационный сепаратор для сортировки абразива по форме. // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении. Материалы 2-й межрегиональной научно — практической конференции с международным участием 2002 г. Алт. гос. техн. ун — т, БТИ. Бийск. 2002. — С. 65 — 69.

5. Дубов Г. М. Повышение эксплуатационных характеристик отрезного шлифовального круга. // II областная научная конференция «Молодые учёные Кузбассу»: Сборник трудов. Кемерово: Полиграф, 2003. — С. 222 — 223.

6. Короткое А. Н., Дубов Г. М., Шатько Д. Б. Оценка формы шлифовальных зёрен. // II Всероссийская научно — практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки на современном этапе»: Обработка металлов № 2 (23). Новосибирск. 2004. — С. 43 — 44.

7. Короткое А. Н., Дубов Г. М. Влияние формы шлифовального зерна 13А63 на коэффициент шлифования и разрывную прочность отрезных кругов на бакелитовой связке. // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении. Труды региональной научно — практической конференции. Филиала ТПУ. Юрга 2004. — С. 73 — 75.