facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

Автор Доклада: 
Разумов А.А., Кропотова Н.А
Награда: 
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

УДК 614.842 + 544.2

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

 

Разумов Александр Александрович, канд. физ.-мат. наук, доцент
Кропотова Наталья Анатольевна, канд. хим. наук

Ивановский институт Государственной Противопожарной службы МЧС России

 

Важная роль насыпной плотности компонент формовочной массы, средней плотности матрицы – сырца и усредненной плотности абразивного инструмента после термообработки в определении износостойкости, коэффициента шлифования обрабатывающих изделий. Поскольку все указанные выше величины плотности в заводских условиях могут быть достаточно точно определены, именно эта физическая величина – плотность – в дальнейших моделях и экспериментах будет взята за основу исследования процессов релаксации в матрице абразивного инструмента. Целью настоящей работы является оценка характерного времени релаксации матрицы абразива, установление его связи с составом матрицы инструмента.
Ключевые слова: абразивный инструмент, химическая технология, релаксация, матрица, коэффициент шлифования.

The important role of bulk density a component of forming weight is shown, to average density of a matrix – a raw and average density of the abrasive tool after heat treatment in definition of wear resistance, factor of grinding of processing products. As all density specified above size industrially can be precisely enough defined, this physical size – density – in the further models and experiments will be is taken for a basis of research of processes of a relaxation in a matrix of the abrasive tool. The purpose of the present work is the estimation of characteristic time of a relaxation of a matrix of an abrasive, an establishment of its communication with structure of a matrix of the tool.
Keywordsthe abrasive tool, the chemical technique, relaxation, matrix, grinding factor.

 

В ряде работ [1, 2, 3] рассмотрена роль важнейших физико-механических свойств абразива. Тем не менее, представляется вероятным анализ полученных экспериментальных данных. Матрица абразивного инструмента представляет собой полимерный композиционный материал (ПКМ), состоящий из связки и наполнителя [4]. В процессе производства инструмента: взвешивания, смешивания компонент ПКМ, закладки массы в пресс-формы, формовки – создается сырец – система, которую можно отнести к неравновесной. Степень неравновесности усиливается после термической обработки, понижения температуры (остывания абразива) и разборки инструмента.

Срок хранения абразивных изделий по ГОСТ не превышает полугода, т.е. он лежит в интервале между сроком годности наиболее уязвимых компонент матрицы: бакелита жидкого БЖ и другого вида связки – связующего фенольного порошкообразного СФП. Шлиф-зерно и наполнитель, если он присутствует в матрице, имеют разные сроки хранения: от неопределенного до конкретного, обозначенного в сопровождающих документах.

Таким образом, конечные физико-механические характеристики абразивного инструмента определяются и временем хранения изготовленных изделий. Будем в дальнейшем исходить из того, что условия хранения являются оптимальными, соответствующими нормам хранения абразивной продукции на складе.

Часть 1. Теоретический аспект проблемы релаксации в матрице абразива

Переход неравновесной системы в состояние равновесия называют релаксацией. Если система сильно отклонена от равновесного состояния, то закон релаксации для такой системы неизвестен и не существует в общем виде.

С учетом ограничений, наложенных на систему ПКМ, наиболее подходящей величиной для исследования является плотность ПКМ ρ (в нашем случае, после термообработки).

Пусть ρ характеризует состояние системы, < ρ> - среднее значение этой величины. Параметр ρ0 определяет равновесное состояние системы, ρ(t) – изменение плотности со временем t. Величина ρ - ρ0 есть отклонение от равновесного состояния. Тогда:

, (1)

где τ – характерное время релаксации.

Введем переменную х:

х = ρ - ρ0 (2)

После дифференцирования (2) выражение (1) примет вид:

(3)

Разделяя переменные в (3) и интегрируя, получим:

х = С ? ехр (-t/τ ) (4)

С учетом (2) уравнение (4) принимает вид:

ρ - ρ= С ? ехр (-t/τ) (5)

или

ρ = ρ+ С ? ехр (-t/τ) (6)

Таким образом, получен экспоненциальный закон изменения плотности ПКМ после термообработки со временем. Все слабые отклонения (в данном случае ρ) убывают по экспоненциальному закону.

Анализ (6) показывает, что при t = 0

ρ = ρ+ С, (7)

т.е. усредненной плотности абразивной матрицы после термообработки. Если t→ ∞, то ρ = ρ0, т.е. плотности равновесного состояния.

Логарифмируя левую и правую части (6), получим

?n ρ = ?n ρ+ ?n С - t/τ (8)

В уравнениях (4÷8) величина С - постоянная интегрирования. График функциональной зависимости ?n ρ (t) представляет собой прямую, тангенс угла наклона которой к оси t численно равен обратной величине характерного времени τ. Подставляя экспериментальные значения усредненной плотности матрицы абразивного инструмента, определенные через интервалы времени (например, 30 суток) и рассчитывая по графику ?n ρ (t) тангенс угла наклона экспериментальной прямой, можно оценить характерное время релаксации системы τ, за которое значение «релаксирующей» величины убывает в «е» раз (е – основание натурального логарифма). Поэтому экспериментальная проверка (8) представляет особый интерес.

Часть 2. Исследование релаксационного последействия фтороалюмината калия (ФАК) в шлифовальных кругах

Испытаны шлифовальные круги типоразмера 180×6×22,2 с наполнителем фтороалюминатом калия (ФАК) и его композициями с другими известными наполнителями: криолитом, гипсом цементно-пуццолановым вяжущим (ГЦПВ), доломитовой мукой. Состав партий абразивного инструмента описан в [5]. Абразивный инструмент всех четырех партий после термообработки был взвешен на приборе ВЛА-200-М с точностью ± 0,05 мг. Затем была определена усредненная плотность матрицы абразивного инструмента с измерением линейных размеров с точностью порядка 10-3 мм. После этого согласно «Инструкции по хранению абразивного инструмента» опытные образцы подвергались испытаниям (измерениям) через каждые 30 суток (месяц). Нами был определен цикл в четыре месяца. Данные на начало испытаний приведены в таблице 1.

Измерялись не только коэффициенты шлифования, но и критические числа оборотов n, при которых круги разрушались. Исследование показало, что предпочтительнее выглядят шлифовальные круги с наполнителем ФАК (первая партия). Немного им уступили образцы четвертой партии (ФАК, ГЦПВ 1:1).

Таблица 1

№ партии

Кш после

10 минут

шлифов

Кш после

20 минут

шлифов

Кш после

30 минут

шлифов

 

<Кш >

число

оборотов в минуту

1

9,8

8,6

11,0

9,8

> 17930

2

10,5

9,4

11,6

10,5

= 13800

3

6,5

5,1

7,9

6,5

= 14100

4

7,75

7,4

8,1

7,75

> 17230

Примечание: значки в таблице 1 означают: > - выдержали; = - разрушились при указанном числе оборотов.

Шлифовальные круги опытных партий были оставлены для исследования релаксационных процессов в инструменте. Последовательно с интервалом в 30 суток измерялись усредненная плотность матрицы, коэффициент шлифования, степень твердости, критическое число оборотов.

Графики зависимости натурального логарифма усредненной плотности абразивной матрицы ?n ρ от времени хранения инструмента в идентичных условиях приведены на рис.1.

Рис. 1. Зависимость ?n ρ (t) для шлифовальных кругов типоразмера 180×6×22,2:

1 – ФАК (100%), 2 – ФАК, криолит 1:1, 3 – ФАК, доломитовая мука 1:1, 4 – ФАК, ГЦПВ 1:1.

Из кривых графика ?n ρ (t) определены значения характерного времени релаксации матриц дисков. Для кругов первой партии оно составило 1715, 64 суток, для кругов второй партии - 937,5 суток, для образцов третьей партии – 863,3 суток, наконец, для четвертой – 991,7 суток.

Таким образом, самыми стабильными оказались круги, изготовленные при прочих равных условиях с использованием наполнителя ФАК (100%). С целью понимания фактора времени в процессах «релаксация» – «старение» часть образцов из всех четырех партий была подвергнута повторной термической обработке в аналогичном температурном режиме. Параметры испытанных кругов сведены в таблицу 2.

Нам представилось необходимым, исходя из полученных данных таблицы 2 и с учетом аналогичных характеристик в таблице 1, ввести величину относительного коэффициента шлифования КОТН., как отношение коэффициента шлифования в момент начала эксперимента (после обжига) t = 0 к коэффициенту шлифования черезt суток выдержки (релаксации), т.е. КОТН = К11+ n .

Таблица 2

номер партии

Кш после

10 минут

шлифов

Кш после вто-

рого обжига

в ноябре 2005 г.

степень

твердости

в ноябре 2005

степень

твердости

в марте 2006

1

4,72

5,68

СТ3

Т1

2

2,76

4,77

СТ3

Т1

3

1,6

3,48

СТ3

Т2

4

2,16

3,15

СТ3

СТ1

Оказалось, что отношение характерного времени релаксации абразивного инструмента одной партии к характерному времени релаксации другой партии с точностью, определяемой погрешностью эксперимента, равно частному относительных коэффициентов этих же партий. Приведем примеры:

τ1/ τ2 = 1,83; К12 = 1,832 (9)

τ1/ τ3 = 1,98; К13 = 1,96 (10)

τ1/ τ4 = 1,73; К14 = 1,728 (11)

Часть 3. Обсуждение результатов

Совпадения, полученные в (9÷11) не могут быть случайными: они говорят о некоей закономерности (законе), существующей в процессе формирования (формовки), становления и релаксации (старения) абразивной матрицы.

Анализируя определения «релаксация», «старение», можно полагать, что процесс релаксации идет одновременно с процессом старения. Если рассматривать релаксацию как процесс установления термодинамического (ТД) равновесия (полного или частичного) в физической системе, состоящей из большого числа частиц, то, безусловно, в системе ПКМ за столь небольшой интервал времени происходит процесс релаксации.

Однако изменяются не только значения плотности, но и физико-механические характеристики абразивного инструмента. Действительно, старение материалов есть изменение свойств материала, протекающее либо самопроизвольно в процессе длительной выдержки при комнатной температуре (проведенные нами испытания) – этот процесс называется естественным старением, либо при нагреве (что нами было также сделано) – искусственное старение. Оба процесса: естественный и искусственный – приводят к увеличению прочности и твердости при одновременном снижении пластичности и ударной вязкости. Это подтверждают экспериментальные данные, представленные в таблице 2.

Снижение ударной вязкости как при длительной выдержке, так и при повторной термообработке связано со снижением способности материала (в абразивном инструменте этим «материалом» является связующая часть матрицы, поскольку абразивные свойства зерна (АСЗ) не меняются при хранении абразивного инструмента) поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки [6]. Величина работы до разрушения надрезанного образца при ударном изгибе, отнесенной к площади его сечения в месте надреза, уменьшилась примерно на порядок, что сопоставимо с падением коэффициента шлифования, отмеченного в таблице 2.

Таким образом, релаксационное последействие ФАК в отрезных и шлифовальных кругах, изготовленных и испытанных нами, имеет свои специфические особенности:

  • - коэффициент шлифования уменьшается тем больше, чем сложнее и активнее легирующий компонент ФАК;
  • - при микроскопическом изучении разломов (разрезов) кругов обнаружено изменение цветового оттенка матрицы: связующее приобретало матовую окраску, причем, изменение оттенка тем сильнее, чем выше концентрация легирующей ФАК добавки.
  •  

Литература:

  • 1. Разумов А.А., Лапин В.Ю. К оценке механических характеристик абразивного инструмента // Абразивное производство: Сб. науч. трудов – Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2004, С.90-93.
  • 2. Разумов А.А., Лапин В.Ю. Фенопласты: свойства и практическое применение в производстве абразивного инструмента // Абразивное производство: Сб. науч. трудов – Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2005, С.60 - 67.
  • 3. Разумов А.А., Лапин В.Ю., Снегирев Д.Г. Методы экспериментальной физики полимерных композиционных материалов (ПКМ) в оценке механических характеристик абразивного инструмента. // Инструмент, технология, оборудование, 2005, №3, С.27-28.
  • 4. Никитин А.В., Разумов А.А.// Материалы науч. конф., Иваново, 2001, С.186-187.
  • 5. Лапин В.Ю., Разумов А.А. «Новый наполнитель» фторалюминат калия: исследование физико-химических и механических характеристик, использование в абразивном инструменте.// Абразивное производство: Сб. науч. трудов – Челябинск, изд-во АТОКСО, 2007, С.169-176.
  • 6. Разрушение неметаллов и композиционных материалов.// Под ред. Г. Либовица. Перевод с англ.: Мир, 1976, Ч.1 и 2. 633 С.
7.2
Ваша оценка: Нет Средняя: 7.2 (5 голосов)

очень хорошая статья

Авторами исследовалась оценка характерного времени релаксации матрицы абразива, установление его связи с составом матрицы инструмента. Сделан вывод о том, как изменяются физико-механические свойства инструмента в процессе искусственного и естественного старения. Статья познавательная, интересная, хорошо аргументирована.
rdan64

Похвала и редакционное замечание.

Доклад отражает весьма значимую работу. проведённую авторами. Тут и теоретические положения и жэкспериментальные результаты. Небольшая редакционная неточность: на рис. 1 приведены явно не кривые, как указано в докладе, а прямые - явные линейные зависимости.

ремарка

На мой взгляд, нехватает прикладной значимости, а именно: сравнение с существующими аналогами(если таковые имеются) и ценовой фактор

Согласна

Поскольку лимит 7 страниц. Поэтому написанную в полном объеме с выжимками экспериментальных данных, полными выводами и с подчеркнутой актуальностью, новизной (где приведены сравнительные характеристики с зарубежными и отечественными аналогами) поэтому уррезали все что могли. Получилось немного "сыро" и скомкано. Ценовой фактор очень прост - наши круги самые дешевые на отечественном рынке, не говоря об импорте.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.