Moskva, Moscow, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
In order to solve the problems of the effectiveness increase in parts machining with grinding there are developed impregnated abrasive discs. The impregnated grinding disc application allows increasing effectiveness, intensifying a process, increasing surface smoothness with minimum defects as compared with non-impregnated disc grinding. The investigations of grinding processes were based on the regulations of the theory of friction and wear, theory of cutting, physical-chemical mechanics of materials, physical and colloid chemistry, non-equilibrium thermodynamics. Physical-chemical processes accompanying grinding with impregnated grinding discs are investigated. It is defined that a cutting ability of a grinding disc and its durability increase, glazing decrease and quality improvement of a part worked take place. New methods for obtaining a composition for impregnation are tested. It is substantiated theoretically and confirmed experimentally grinding effectiveness increase at the introduction into an abrasive mass composition a film-forming matter – chromium diiodide.
grinding, impregnation, machining, grinding discs, abrasive mass, chromium diiodide
Введение
Проведённый аналитический обзор научно-технической информации показал необходимость реализации междисциплинарного системного подхода к описанию явлений, протекающих в контакте «инструмент - заготовка» при шлифовании, на основе положений физико-химической механики материалов. Аналитический обзор показал, что многоаспектность и сложность явлений, протекающих в зоне шлифования с применением импрегнированных кругов, требует принципиально другого системного подхода в сравнении с известным сегодня.
Нами проведены расчёты и исследования влияния импрегнирования на основные показатели процесса шлифования: режущую способность и износ инструмента, шероховатость обработанной поверхности, наличие прижогов. Процесс шлифования сопровождается одновременным протеканием комплекса физико-химических явлений. В результате внедрения в обрабатываемую поверхность абразивных зёрен происходит либо отделение микростружек, либо формирование канавок с боковыми навалами [1-3]. При взаимодействии профиля шлифовального круга и обрабатываемой поверхности заготовки происходит абразивное диспергирование с образованием микростружек, которые потоком СОЖ частично удаляются из контакта «инструмент - заготовка», частично заполняют межзёренное пространство и налипают на вершины абразивных зёрен, изменяя рельеф режущего профиля. С учетом кратковременности контакта абразивного зерна и обрабатываемой поверхности (10-4…10-5с) в момент отделения микростружки накопленная в ней энергия переходит в тепловую, что вызывает рост температуры в зоне разрушения близко к температуре плавления металла [4-6].
Состав для импрегнирования
В настоящее время наиболее важным показателем конкурентоспособности производства, способного работать в условиях полной взаимозаменяемости деталей, экспортируемых на российский рынок из других стран, является получение деталей с высокой чистотой поверхности. Одним из методов, успешно применяемых для получения чистых металлов, является йодидный метод.
Вводя в чистые металлы определённые добавки, можно получать новые высокопрочные, высокотемпературные сплавы, которые могут найти полезное применение в металлообработке [7].
Ван Аркель, де Бур и Фаст [8-10], по существу, заложили основу йодидного процесса. В течение долгого времени США импортировали цирконий фирмы Philips, полученный йодидным способом, применяя его иногда даже в простейших электронных лампах. Затем и другие западные фирмы достигли значительных успехов в производстве йодидных металлов.
В твердом состоянии йод образует слоистую решётку, следствием чего является чешуйчатое, слоистое строение кристаллов.
Если изучить свойства йода, которые в данной статье не приводятся, то можно сделать вывод о том, что йод в некоторой мере обладает металлическими свойствами: электропроводность, как и у металлов, понижается с возрастанием температуры.
При давлении 1 атм заметная диссоциация йода начинается при 600 °С, при 800 °С - 5,2 %, при 1000 °С - 19,7 %, при 1400 °С - около 75 %.
Термическая диссоциация является важным фактором разложения йодидов, так как она значительно увеличивает число образующихся молекул газа.
Несмотря на то что теплота образования йодида металла сравнительно мала, свободная энергия диссоциации быстро уменьшается с возрастанием температуры.
Величина константы равновесия рассчитывается по формуле
|
Из уравнения видно, что константа равновесия для реакции содержит величину давления атомарного йода в четвёртой степени, так что даже если величина этой константы довольно мала, в равновесии с металлом может находиться йод с заметным давлением паров.
Этот факт был использован для получения и дальнейшего использования дийодида хрома.
Как известно из различных исследований, существует четыре группы йодидных металлов. Однако нами был выбран йодидный хром, поскольку он широко производится в промышленном масштабе и относительно недорогой. Он также улучшает высокотемпературные свойства сплавов при изготовлении газовых турбин. Применяется в российском авиастроении.
Обработка дийодида йодом при t = 300 °С давала в результате смесь, содержащую 91 % трийодида хрома. Трийодид хрома нелегко растворялся в воде, но его растворимости способствовал ион двухвалентного хрома.
Равновесие устанавливалось:
.
Дийодид хрома был получен по способу Билтца и Бирка [2] - нагреванием 
до 300…350 °С в водороде.
Исследователями установлено, что йод и йодиды активно взаимодействуют с обрабатываемыми материалами и способны генерировать протекание рассмотренных выше химических реакций с образованием в зоне шлифования тонких плёнок, обладающих низким коэффициентом трения.
Йод малоактивен при низких температурах, при повышении температуры он распадается на активные радикалы, химически взаимодействующие с металлами с образованием соответствующих йодидов. Исследуя механизм действия йода при трении, Ф.П. Боуден [3] отмечал, что химические плёнки, образованные в результате реакции паров йода и металла, имеют в четыре раза более низкий коэффициент трения, чем чистые поверхности металла.
В качестве абразивных материалов использовались электрокорунд белый марки 25А и карбид бора В4В фракции F 80. Шлифовальные круги имели размеры 360х250х60 мм и изготавливались следующим образом (рис. 1, 2). В установленное количество эпоксидной диановой смолы ЭД-5 добавляется абразив, после чего полученная смесь тщательно перемешивается в течение 5-6 мин. Затем в нее добавляются высокопрочный ферритный чугун и кристаллический йод. Смесь вновь перемешивают в течение 3-5 мин, после чего в нее добавляют отвердитель – полиэтиленполиамин и органический модификатор (например, смесь Агидолов 51, 52, 53 или Агидол АФ-2) и окончательно перемешивают в течение 5-6 мин.
Рис. 1. Формовочный агрегат
Рис. 2. Сушило периодического действия
|
Анализ экономических показателей обработанных деталей
Для определения производительности обработки могут быть использованы известные методики рациональной организации процесса обработки, позволяющие определять себестоимость в зависимости от принятых режимов шлифования, обрабатываемого материала и внедрения различных конструкторско-технологических мероприятий [2; 3].
При исследовании надёжности обрабатываемых деталей необходимо иметь возможно более полную информацию об отказах. Информация о надёжности полученных деталей, обработанных с применением шлифовальных кругов предлагаемой конфигурации, может поступать из следующих источников:
1) опросных листов, рассылаемых предприятиями, эксплуатирующими поставляемые детали;
2) данных, поступающих от предприятий, заводов и шеф-монтёров, о качестве поставленных деталей, выявленном при их монтаже, наладке и запуске в работу на предприятиях-потребителях;
3) отчётных материалов о стендовых испытаниях деталей, узлов и механизмов, проводимых при изготовлении новых промышленных образцов;
4) отчётных данных о результатах испытания нового промышленного образца детали в производственных условиях;
5) результатов выборочных испытаний деталей;
6) результатов анализа износа и поломки деталей, выхода из строя отдельных узлов и механизмов.
Сроки, виды и повторяемость наблюдений в каждом конкретном случае устанавливаются соответствующими методами и зависят от условий и характера работы деталей.
Карта наблюдений заполняется на рабочем месте, причём в конце смены надо проводить проверку правильности учёта результатов работы и отказов деталей, используя следующее выражение:
,
где Ф - фонд рабочего времени детали за период наблюдения; ω - количество продукции, изготовленной за время наблюдения; τ - среднее время непрерывной работы детали или машины;
- суммарная длительность восстановления детали за период наблюдения.
После выполнения всех требований, установленных нормативами, была получена экономическая эффективность использования шлифовальных кругов, содержащих дийодид хрома (по данным ОАО «Красный гидропресс», публичного акционерного общества «Таганрогский научно-технический комплекс имени Г.М. Бериева», ООО «Югмашдеталь», ООО «МеталлПромИнвест», ОАО «Ейский станкостроительный завод»).
Для сравнения были выбраны шлифовальные круги двух типов: шлифовальный круг разной зернистости и шлифовальный круг, импрегнированный дийодидом хрома.
Данные исследований, а также полученные эксплуатационные данные о деталях, прошедших обработку шлифованием импрегнированными кругами, представлены в табл. 1.
Экономическая эффективность увеличивается более чем в 2,5 раза (с учетом минимальных затрат на изготовление импрегнированных кругов [2]).
Как видно из представленных данных, использование на производстве абразивных инструментов, импрегнированных дийодидом хрома, повышает экономический показатель более чем в 3,5 раза. Причем использование абразивных инструментов с дийодидом хрома целесообразнее при обработке высоколегированных сталей. При обработке жаропрочных сталей показатели эффективности выше у многосекторных шлифовальных кругов разной зернистости.
|
Таблица 1
Сравнительные данные экономической эффективности использования
импрегнированного абразивного инструмента
|
Обрабатываемый материал |
Многосекторный шлифовальный круг разной зернистости |
Абразивный инструмент с дийодидом хрома |
|
Высоколегированные стали |
2,5-3,2 |
2,2-3,8 |
|
Жаропрочные сплавы |
4,4-6,5 |
3,6-4,5 |
Причиной усовершенствования шлифовальных кругов для обработки деталей послужили данные, полученные с российских заводов, использующих в своём производстве обработку деталей шлифованием. Затем данные детали поступают в рабочий цикл завода в качестве рабочих единиц и получают неудовлетворительные характеристики, в частности по показателю долговечности и времени приработки взаимодействующих деталей.
При изучении и наблюдении отказов обработанных деталей учитывались и сопутствующие факторы, такие как:
1) конструктивные дефекты;
2) технологические дефекты, а именно дефекты изготовления и сборки;
3) нарушения правил транспортировки;
4) дефекты монтажа;
5) условия эксплуатации, в частности отклонения от норм технического обслуживания;
6) отклонения от нормальных параметров внешней среды (влажность, запыленность, температура);
7) естественный износ;
8) комбинированное влияние разных факторов или неустановленных причин.
Было установлено, что снижение засаливания шлифовального круга достигается при применении шлифовальных кругов, импрегнированных дийодидом хрома.
Предложен критерий технического уровня изделия K, по значению которого могут назначаться конструктивные и технологические мероприятия, обеспечивающие требуемые показатели надежности, качества и других характеристик машины или механизма:
|
|
|
,
|
В табл. 2 приведены данные машиностроительных предприятий России, указаны характеристики шлифовальных кругов.
Заключение
Повышение надёжности и долговечности машины связано с проведением конструктивных, технологических и эксплуатационных мероприятий, повышением надёжности узлов и элементов благодаря рациональной конструкции и применению износостойких материалов, а также износостойких инструментов, позволяющих изготавливать детали, соответствующие высоким требованиям заказчика.
|
Таблица 2
Режимы эксплуатации шлифовальных кругов на машиностроительных предприятиях (АвтоВАЗ, КамАЗ)
|
Обрабатываемый материал |
Вид операции |
Характеристика круга применяемая |
Характеристика круга нормативная |
Режим резания применя-емый
мм/мин |
Режим резания норма-тивный
|
При- пуск, мм |
Потеря производи-тельности
|
|
|
Марка |
Группа обраба- тывае- мости |
|||||||
|
40Х9С2>55 |
Ia |
Круглое наружное шлифование с радиальной подачей |
ЭК (имп.) |
92А(25А,14А)25НСТ2 |
0,35 |
1,25 |
0,38 |
1,08/0,304=3,55 |
|
5Х20Г9АН4 |
Ia |
91А16НВТ5К5 |
92А(25А,14А)25НСТ |
0,35 |
2,56 |
0,3 |
0,85/0,11=7,7 |
|
|
АС35Г2<277 |
Ia |
14А25НС15К |
92А(25А,14А)25НС1 |
0,52 |
1,12 |
0,3 |
0,57/0,26=2,19 |
|
|
Сталь 40 |
IIa |
91А32ПСМ17К5 |
92А(25А,14А)32НСМ |
1,0 |
2,71 |
0,3 |
0,3/0,11=2,7 |
|
|
20ХГНМ>58 |
I |
24А25ПСМ27К5 |
92А(25А,14А)25НС |
1,0 |
1,26 |
0,3 |
0,3/0,23=1,3 |
|
|
Сталь 38>58 |
IIa |
24А25НС16К5 |
92А(25А,14А)25НС1 |
0,95 |
1,2 |
0,348 |
0,36/0,29=1,24 |
|
|
12ХН |
IIa |
14А25НС17К |
92А(25А,14А)25НС |
0,44 |
1,53 |
0,3 |
0,68/0,19=3,57 |
|
|
12ХН>55 |
IIa |
24А10НСМ16К5 |
92А(25А,14А)16НС |
1,2 |
1,34 |
0,3 |
0,25/0,22=1,13 |
|
|
Сталь 08 кп |
IIa |
Бесцентровое наружное шлифование с радиальной подачей |
91А32НСМ27К11 |
92А(25А,14А)32НСМ |
0,6 |
1,45 |
0,15 |
0,25/0,103=2,4 |
|
АС35Г2<277 |
Ia |
96А16НС17К20 |
92А(25А,14А)25НС |
0,715 |
4,3 |
0,4 |
0,56/0,09=6,22 |
|
|
19ХГН>60 |
Ia |
91А8ПСТ28К5 |
92А(25А,14А)12НС2 |
1,13 |
2,2 |
0,45 |
0,39/0,2=1,95 |
|
|
Чугун 1040 |
VII |
14А25НСТ17К20 |
14А20НСТ27К |
0,5 |
0,72 |
0,03 |
0,06/0,04=1,5 |
|
|
40Х, НRC>45 |
IIa |
Бесцентровое наружное шлифование с осевой подачей |
24А25НСМ27К26 |
92А(25А,14А)40НС2 |
(800) |
(970) |
0,3 |
0,375/0,309=1,2 |
|
|
В связи с этим необходимо более глубокое изучение процесса импрегнирования шлифовальных кругов как одного из способов увеличения срока службы инструмента, обеспечивающего бесприжоговое шлифование и снижение коэффициента трения в зоне обработки.
1. Slavin A.V., Brzhozovskiy B.M. Povyshenie effektivnosti shlifovaniya putem upravleniya fiziko-himicheskimi processami v kontakte «instrument - zagotovka» // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. 2016. № 5 (59). S. 24-30.
2. Gusakova L.V., Butenko V.I., Kulinskiy A.D. Perspektivnye napravleniya povysheniya effektivnosti shlifovaniya poverhnostey detaley mashin // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2016. № 2 (50). S. 112-121.
3. Pat. 2574182 RF. Sposob impregnirovaniya abrazivnyh instrumentov / Butenko V.I. 2016. Byul. № 4.
4. Pat. 2392109 RF. Massa dlya izgotovleniya abrazivnogo instrumenta / Butenko V.I., Durov D.S., Gusakova L.V., Fomenko E.S. 2010. Byul. № 17.
5. Pat. 2532660 RF. Sposob impregnirovaniya abrazivnyh instrumentov / Butenko V.I., Kulinskiy A.D., Gusakova L.V. 2014. Byul. № 31.
6. Babichev A.P., Butenko V.I., Gusakova L.V. Kombinirovannaya uprochnyayuschaya obrabotka svarnyh stykov metallicheskih trub bol'shogo diametra // Vibrovolnovye processy v tehnologii obrabotki detaley vysokotehnologichnyh izdeliy: sb. tr. Rostov n/D: DGTU, 2017. S. 116-118.
7. Slavin A.V., Shumyacher V.M., Kadil'nikov A.V. Kontaktnye vzaimodeystviya abrazivnyh zeren s obrabatyvaemoy poverhnost'yu pri shlifovanii metallov // Vestnik Volgogradskogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. 2011. Vyp. 25 (44). S. 197-200.
8. Bez'yazychnyy V.F., Drapkin B.M., Prokof'ev M.A. Obespechenie kachestva poverhnostnogo sloya pri ploskom shlifovanii zharoprochnyh splavov na nikelevoy osnove // STIN. 2008. № 5. S. 35-38.
9. Cowan R.W., Schertz D.J., Kurfess T.R. An adaptive statistically Based controller for throngh-feed center less grinding // Trans-actions of the ASME. 2001. Vol. 123. P. 380-386.
10. Hashimoto F. Effect of friction and wear characteristics of regulating wheel on center less grinding // Abrasives. Center less grinding coated abrasives. 2000. P. 8-15.
11. Bagayskov Yu.S., Shumyacher V.M. Sovershenstvovanie strukturno-mehanicheskih svoystv abrazivnyh instrumentov vysokoy plotnosti // Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2006. № 2 (12). Vyp. 1. S. 38-42.
