Эффективность применения плёнкообразующих материалов в шлифовальных кругах

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.923+629.7

Эффективность применения плёнкообразующих материалов в шлифовальных кругах

В.И. Бутенко,

Л.В. Гусакова

Обоснована и экспериментально подтверждена эффективность введения в состав абразивной массы плёнкообразующего вещества, обеспечивающего увеличение съема металла с обрабатываемой поверхности, снижение температуры в зоне обработки и коэффициента трения, параметров шероховатости, числа и площади прижогов на обработанной поверхности.

Ключевые слова: шлифовальный круг, пленкообразующие материалы, абразивная масса, коэффициент трения, прижоги, поверхностный слой, деталь, шероховатость.

A basic problem in current mechanical engineering consists in manufacturing long-lived, reliable and competitive products. One of factors meeting these requirements is manufacturing parts with high servicing characteristics. In spite of that today there is a large number of various methods for product finishing the routine method in our country and abroad is an abrasion, and, in particular - grinding.

As a result of theoretical and experimental researches carried out there is solved a significant scientific problem having a considerable production and economical importance for an engineering technique - there are developed and investigated methods for effectiveness increase in grinding part surfaces made of high-alloy and heat-resistant materials through changes in design and structure of abrasive tools.

For the first time theoretically and experimentally there was proved a possibility of use chromium diiodide in the composition of mass for abrasive tool manufacturing with the aid of which films are formed ensuring lowering the temperature by 20-30 % in the area of grinding.

Key words: abrasive disk, film-forming materials, abrasive mass, constant of friction, burns, surface layer, part, roughness.

Ещё в 1950-х годах французские инженеры Робертс и Фьюри [1] обнаружили аномальное повышение стойкости резцов при обработке титановых сплавов и коррозионно-стойкой стали с введением микродоз йода в состав смазочного средства. Фьюри было также установлено, что действие йода эффективно и при трении. Так, было зафиксировано, что введение микродоз присадок йода (0,01-0,001 %) в состав смазочного средства в несколько раз уменьшает коэффициент трения. Дальнейшие работы подтвердили, что наибольшая эффективность от использования йода зафиксирована при обработке лезвийным и абразивным инструментом титана и его сплавов. Авторы [1] объясняют высокую эффективность йодосодержащих технологических средств адсорбционной и химической активностью йода по отношению к металлам, его способностью образовывать комплексные соединения, благоприятно влияющие на снижение температуры в зоне контакта абразивного зерна с обрабатываемым материалом.

Высокие температуры и контактные давления в зоне шлифования создают сложные условия протекания процесса шлифования, приводящие к возникновению прижогов на обработанной поверхности детали. Вследствие этого представляет интерес изменение условий контактирования абразивных зёрен с обрабатываемым материалом путём создания в зоне контакта плёнок, обладающих низким коэффициентом трения. Наиболее перспективным, на наш взгляд, является введение в зону контакта соединений йода, которые разлагаются при высоких температурах, а выделяющийся при этом йод активно реагирует с металлом, образуя плёнки йодидов металлов, устойчивые к высоким температурам и обладающие низким коэффициентом трения.

Известно, что коэффициент трения определяется суммой адгезионной (м_а) и деформационной (м_д) составляющих:

.

Деформационная составляющая имеет существенное значение при трении шероховатых поверхностей деталей из металлических материалов, что обусловлено потерями при повторном передеформировании тонких поверхностных слоёв. Однако коэффициент трения в зоне контакта абразивного зерна с обрабатываемым материалом зависит не только от шероховатости контактирующих поверхностей, выделяющейся теплоты, но и от теплофизических свойств абразивного и обрабатываемого материалов, а также плёнки, создаваемой между ними. Кроме этого, в зоне шлифования наблюдается различный характер трения между:

- абразивным зерном и обрабатываемым материалом (особенно при затуплении абразивного зерна);

- сходящей стружкой и свободными поверхностями абразивного зерна;

- связкой и обрабатываемым материалом;

- образующейся стружкой и связкой;

- обрабатываемым металлом и металлом, заполняющим пространство между соседними абразивными зёрнами в случае засаливания шлифовального круга.

Неоднозначность характера трения между абразивным зерном, обрабатываемым материалом, стружкой и связкой, изменение условий его протекания во времени и его нестабильность не дают возможности оценивать контактные процессы в зоне шлифования с единых позиций и описывать их одним коэффициентом трения. В связи с этим для обоснования возможности и целесообразности применения плёнкообразующих материалов в шлифовальных кругах была использована формула определения коэффициента трения при контакте шероховатых поверхностей, предложенная Г.Эрнстом и П. Мерчентом [2]:

,

где - сопротивление материала срезу для фактической площади контакта; НВ - твёрдость контактирующего материала; б - средний угол, составляемый силой трения с фактической площадью контакта (угол трения).

Поскольку сопротивление , по данным Г.Эрнста и П. Мерчента, является величиной, характеризующей плавление металла в условиях контакта при высоких температурах, то, исходя из известных термодинамических зависимостей, можно записать:

,

где L_P - скрытая теплота плавления на единичной площадке контакта (её величина приводится в справочной литературе и для железоуглеродистых сплавов равна 22,3 ккал/см²); - температура плавления контактирующего материала; - фактическая температура в зоне контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом, принимаемая в дальнейшем температурой шлифования.

Тогда некоторый обобщённый коэффициент трения , обусловленный наличием в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемым металлом плёнки с низким коэффициентом трения, может быть определён по формуле

(1)

Предполагается, что плёнкообразующий материал будет неравномерно распределён по контактирующим поверхностям в зоне шлифования: на отдельных участках он будет отсутствовать вследствие высокоскоростного режима обработки. Тогда угол можно представить в виде разности углов: , где - средний угол, составляемый силой трения с участками контакта как в присутствии разделительной плёнки, так и без неё; - средний угол, составляемый силой трения с участком контакта с равномерным распределением разделительной плёнки постоянной толщины. Учитывая это, формулу (1) можно записать в следующем виде:

.

Тогда температура в зоне взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом определится из выражения

(2)

Выполнив преобразования и приняв , , из зависимости (2) получим следующую формулу определения температуры в зоне шлифования при подаче в неё плёнкообразующего материала:

(3)

Анализ полученной формулы (3) показывает, что температура в зоне шлифования в случае применения плёнкообразующих материалов находится в сложной зависимости от коэффициента трения , так как обобщённый коэффициент трения также зависит от коэффициента . Исходя из того, что от значения температуры в зоне шлифования зависят число и размеры прижогов на обработанной поверхности детали, был проанализирован характер зависимости от величины . Для обрабатываемых шлифованием железоуглеродистых сплавов постоянными были приняты следующие величины: ; = 1540°С; НВ = 220; = 0,6 [3].

На рисунке приведён график зависимости температуры в зоне шлифования от коэффициента трения плёнкообразующего материала , построенный по расчётным значениям , вычисленным по формуле (3).

Анализ полученного графика даёт основание утверждать о целесообразности добавления в состав абразивных инструментов специальных плёнкообразующих материалов, позволяющих существенно снизить температуру в зоне контакта абразивных зёрен с обрабатываемым материалом и уменьшить тем самым число и площадь прижогов на поверхности детали.

Рис. 1 Расчётный график зависимости температуры в зоне шлифования от коэффициента трения плёнкообразующего материала для железоуглеродистых сплавов

В качестве плёнкообразующей добавки при изготовлении шлифовальных кругов рекомендуется использовать дийодид хрома в количестве 0,6 - 0,8 % от общей массы круга [4]. Исследования показали, что добавление в абразивную смесь дийодида хрома позволяет на 20 - 30% снизить температуру в зоне шлифования и, как следствие, в 1,5 - 2 раза уменьшить число и суммарную площадь прижогов на обработанной поверхности детали.

Можно сделать следующие выводы:

1. Получена формула для определения средней температуры в зоне шлифования в зависимости от теплофизических свойств обрабатываемого материала и приведённого коэффициента трения, учитывающего коэффициент трения плёнкообразующего материала, подаваемого в зону контакта абразивных зёрен с поверхностью детали.

2. Доказана целесообразность применения в качестве плёнкообразующего материала в составе абразивной массы для изготовления шлифовального круга дийодида хрома. Приведён рекомендуемый состав такой абразивной массы.

абразивный пленкообразующий шлифовальный трение

Список литературы

1. Фьюри М. Дж. Действие йода при получении низкой величины трения / М.Дж. Фьюри // Wear. - 1965. - Т.9. - №5. - С. 18-23.

2. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников. - М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.

3. Масса для изготовления абразивного инструмента: пат. 2392109 РФ: B24D 3/28 / Бутенко В.И., Дуров Д.С., Фоменко Е.С., Гусакова Л.В. - Заявл. 24.12.08; опубл. 20.06.10, Бюл. № 17.

4. Бутенко В.И. Влияние йода в составе шлифовального круга на контактную температуру при обработке деталей / В.И. Бутенко, Л.В. Гусакова // Современные проблемы механики и её преподавания в вузах: доклады IV Всерос. совещания-семинара зав. каф. и ведущих преподавателей теор. механики вузов Р Ф (г. Новочеркасск, 21-24 сент. 2010 г.). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. - С.32-35.

5. Fury M.J., Iodine effect at obtaining low friction value / M.J. Fury // Wear. - 1965. - Vol. 9. - No 5. - pp. 18-23.

6. Reznikov A.N., Thermal physics of processes in material machining / A.N. Reznikov. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - pp. 279.

7. Mass for abrasive tool manufacturing: pat. 2392109 RF: B24D 3/28 / Butenko V.I., Durov D.S., Fomenko Е.S., Gusakova L.V. Appl. 24.12.08; published. 20.06.10, Bulletin № 17.

8. Butenko V.I., Iodine effect in abrasive disk structure upon contact temperature at part machining / V.I. Butenko, L.V. Gusakova // Current problems in mechanics and its teaching in colleges: Proceedings of the IV-th All-Russian Conference-Seminar of Heads of Departments and Senior Lecturers on Engineering Mechanics in Colleges of the RF (Novocherkassk, September 21-24, 2010). - Novocherkassk: SRSTU, 2010. - pp. 32-35.

Размещено на Allbest.ru