Главная » 2014 » Август » 17 » Скачать Научное обоснование технологии создания и эксплуатации высококачественных алмазных кругов. Попов, Алексей Валентинович бесплатно
7:31 AM
Скачать Научное обоснование технологии создания и эксплуатации высококачественных алмазных кругов. Попов, Алексей Валентинович бесплатно
Научное обоснование технологии создания и эксплуатации высококачественных алмазных кругов
Диссертация
Автор: Попов, Алексей Валентинович
Название: Научное обоснование технологии создания и эксплуатации высококачественных алмазных кругов
Справка: Попов, Алексей Валентинович. Научное обоснование технологии создания и эксплуатации высококачественных алмазных кругов : диссертация доктора технических наук : 05.03.01 Тула, 2003 315 c. : 71 04-5/457
Объем: 315 стр.
Информация: Тула, 2003
Содержание:
Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АЛМАЗНЫХ КРУГОВ
11 Анализ производства порошков и кругов из синтетических алмазов в РФ
12 Современные представления о проектировании алмазных кругов
13 Анализ рекомендаций по эксплуатации алмазных кругов
14 Выводы
15 Цель и задачи исследования
Глава 2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБОБЩЕННОЙ МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ АЛМАЗНЫХ ЗЕРЕН В СВЯЗКЕ
21 Структурный анализ процесса алмазного шлифования
22 Систематизация моделей разрушения алмазных кругов
23 Разработка и исследование модели локальных поворотов алмазных зерен в связке
24 Разработка и исследование модели сдвига алмазных зерен в связке
25 Разработка и исследование модели разрушения алмазных зерен
26 Выводы
Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗНАШИВАНИЯ АЛМАЗНЫХ КРУГОВ
31 Определение оптимальных марок алмазного порошка при минимизации влияния связки
32 Влияние параметров режима резания на изнашивание алмазных зерен при минимизации влияния связки
33 Исследование закономерностей изнашивания алмазных кругов
34 Выводы
Глава 4 ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АЛМАЗНЫХ КРУГОВ
41 Обоснование механизма влияния СОЖ на критерии работоспособности алмазных кругов
42 Выбор оптимальной скорости резания при алмазном шлифовании
43 Обоснование механизма влияния условий эвакуации стружки на критерии работоспособности алмазных кругов
44 Выводы
Глава 5 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ АЛМАЗНЫХ КРУГОВ
51 Анализ условий, ограничивающих повышение работоспособности алмазных кругов
52 Исследование связи между критериями работоспособности и условиями разрушения и изнашивания алмазных кругов
53 Алгоритм расчетно-экспериментального метода проектирования алмазных кругов
54 Выводы
Глава 6 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
61 Внедрение алмазных кругов для шлифования сортового и художественного стекла
62 Внедрение алмазных кругов для шлифования твердых сплавов
63 Выводы
Введение:
Анализ объемов производства порошков и алмазных кругов из синтетических алмазов в РФ, а также сравнение отечественных порошков синтетических алмазов с порошками ведущих иностранных фирм показали, что имеются объективные предпосылки для экспорта алмазных кругов и, прежде всего алмазных кругов, при изготовлении которых используется большая часть порошков синтетических алмазов. Так, в 2001 г. предприятия алмазно-абразивной промышленности РФ произвели 66 млн. карат синтетических алмазных порошков, и только 12 млн. карат (18%) из этого количества использовали для производства алмазного инструмента. Излишки порошка, нереализованные для производства инструмента в РФ, продаются в зарубежные страны. Так, в 2001 г. излишки составили 54 млн. карат, 57% из которых (31 млн. карат) изготовил Веневский завод алмазных инструментов (ОАО «ВеАл», ОАО «Вепфа»). Сравнение качества отечественных порошков с порошками ведущих иностранных фирм (GE Supcrabrasives, De Beers и др.) показало, что отечественные порошки синтетических алмазов марок АС4 - АС32 и микропорошки марки АСН, также используемые для производства алмазных кругов, соответствуют по прочности и абразивной способности порошкам и микропорошкам ведущих иностранных фирм. Сравнительный анализ экономической эффективности экспорта порошков и алмазных кругов из порошков синтетических алмазов показал, что реализация высококачественных алмазных кругов, как конечной продукции, экономически целесообразнее, чем реализация сырья в виде порошков. Таким образом, наличие в РФ излишков порошков синтетических алмазов с низкой себестоимостью, соответствующих порошкам ведущих иностранных фирм, создает объективные предпосылки для производства и экспорта высококачественных алмазных кругов, не уступающих по работоспособности алмазным кругам ведущих иностранных фирм. Отсутствие существенного экспорта алмазных кругов предприятиями алмазно-абразивной промышленности РФ объясняется значительным отставанием работоспособности отечественных алмазных кругов от работоспособности алмазных кругов ведущих иностранных фирм, что подтверждается результатами сравнительных испытаний.
Таким образом, предприятиям алмазно-абразивной промышленности РФ необходимо решить следующие задачи:
1. Использовать синтетические алмазные порошки, нереализованные для производства алмазных кругов в РФ, для выпуска конкурентоспособных алмазных кругов для продажи на экспорт.
2. Повысить качество выпускаемых алмазных кругов для предотвращения импорта в РФ алмазных кругов ведущих иностранных фирм.
Успешно решать данные задачи на практике в настоящее время не удается, так как отсутствует обоснованные эффективные методы для создания высококачественных подсистем «алмазное зерно - связка», а имеющиеся рекомендации по рациональной эксплуатации алмазных кругов носят противоречивый характер.
Расширение производства и экспорта алмазных кругов стандартного качества экономически нецелесообразно из-за повышенного удельного расхода алмазов. Кроме того, не решены вопросы рационального сочетания современных синтетических алмазов с металлическими и органическими связками. Работоспособность отечественных алмазных кругов существенно ниже работоспособности кругов ведущих иностранных фирм, что ограничивает экспорт алмазных кругов из РФ.
Таким образом, существует проблема повышения конкурентоспособности и расширения производства в Российской Федерации высококачественных алмазных кругов.
Цель работы - повышение эксплуатационных характеристик алмазных кругов на основе научного обоснования эффективного функционального состояния системы «алмазное зерно - связка» и создания на его основе методик рационального проектирования и эксплуатации высококачественных алмазных кругов.
В результате проведенных исследований разработана систематизация моделей разрушения алмазных кругов в результате поворота, сдвига и разрушения алмазных зерен. Требуемая работоспособность алмазных кругов достигается путем регулирования соотношением установленных физико-механических свойств отдельных элементов подсистемы «алмазное зерно - соединение алмазного зерна со связкой - связка» при анализе обобщенной модели сохранения исходного положения алмазного зерна в связке. Исследование отдельных моделей разрушения позволило установить, что наибольшее значение для алмазных кругов на органических и металлоорганических связках имеет разрушение связи алмазных зерен со связкой, которое приводит к локальному повороту и удалению с рабочей поверхности круга алмазных зерен.
Установлено, что предельная нагрузка, при которой происходит разрушение соединения алмазных зерен со связкой и локальный поворот алмазных зерен в результате достижения критических касательных напряжений на сферической поверхности вокруг алмазного зерна, зависит от предела прочности связки на сдвиг. При удалении алмазных зерен на рабочей поверхности алмазного круга образуются лунки, имеющие форму, близкую к форме алмазных зерен. Для повышения прочности соединения алмазных зерен со связкой целесообразно использовать алмазные зерна с острыми кромками и металлизированные алмазные зерна с развитой шероховатостью поверхности покрытия.
Установлено, что предельная нагрузка, при которой происходит разрушение связки за алмазным зерном, и сдвиг алмазного зерна, зависит от предела прочности связки на сжатие. При удалении алмазных зерен в результате сдвига на рабочей поверхности алмазного круга образуются лунки удлиненной формы.
Установлено, что предельная нагрузка, при которой происходит разрушение алмазных зерен, кроме прочности алмазных зерен на сжатие, зависит от прочности на сжатие связки и от коэффициента заделки алмазных зерен в связке.
Количество алмазных зерен, способных повторно участвовать в процессе резания после первичного разрушения в результате сжатия, незначительно, оно увеличивается с ростом прочности алмазных зерен алмазного порошка и не превышает 10% - 15% от общего количества алмазных зерен для марок АС4 — АС6 и 20% - 25% от общего количества алмазных зерен для марки АС32.
Установлено, что при шлифовании в условиях минимального влияния связки удельный расход алмазов уменьшается при увеличении прочности алмазных зерен. Для повышения работоспособности основным принципом проектирования алмазных кругов является создание условий для эффективного использования в алмазных кругах порошков синтетических алмазов повышенной прочности путем соответствующего улучшения физико-механических свойств связки, использования алмазных зерен с острыми кромками, применения алмазных зерен с развитой шероховатостью поверхности покрытия и оптимизации других параметров.
Предложены два критерия работоспособности алмазных кругов:
1. Средняя скорость относительного изнашивания связки {Vox,,), определяемая по разности между средней скоростью изнашивания связки в зоне, расположенной перед алмазными зернами (VCB), и средней скоростью изнашивания алмазных зерен (Va3): (VOTM)=(VCB)-(Va3). При оптимальном значении средней скорости относительного изнашивания связки (V0TII) достигается минимальный удельный расход алмазов. Установлено, что при снижении (V0X1I) относительно оптимального значения происходит уменьшение объема стружечной канавки перед алмазными зернами для размещения стружки, увеличивается схватывание стружки, накопившейся перед алмазными зернами, с материалом обрабатываемой поверхности (процесс «засаливания»), возрастает количество алмазных зерен, выпадающих с рабочей поверхности алмазного круга, и, как следствие, резко увеличивается удельный расход алмазов. Снижение
VOTH) относительно оптимального значения может происходить из-за увеличения (Va3) при увеличении параметров режима резания более критических значений или из-за уменьшения (УСв) ПРИ добавлении в связку износостойких наполнителей.
2. Количество алмазных зерен, участвующих в резании и расположенных на единице площади рабочей поверхности алмазного круга. При оптимальных условиях разрушение и изнашивание происходят так, что при постоянной концентрации обеспечивается:
• участие в резании максимально возможного количества алмазных зерен на единице площади рабочей поверхности алмазного круга;
• минимальная подача на единичное алмазное зерно;
• минимальная скорость изнашивания алмазных зерен и, как следствие, минимальный удельный расход алмазов.
Установлен механизм влияния СОЖ на удельный расход алмазов, в соответствии с которым применение СОЖ на водной основе при шлифовании алмазными кругами с подачами и глубинами резания больше критических величин, снижает удельный расход алмазов благодаря уменьшению скоростей изнашивания алмазных зерен и связки и увеличению скорости относительного изнашивания связки, а при подачах и глубинах, меньше критических, применение СОЖ на водной основе увеличивает удельный расход алмазов в результате увеличения скорости изнашивания алмазных алмазных зерен из-за циклических термических напряжений и уменьшения скорости относительного изнашивания связки.
Выполнена систематизация условий, ограничивающих повышение работоспособности алмазных кругов, разработаны методики определения и способы снятия ограничений:
• методики определения износостойкости и работоспособности связки (патенты №2167047, №2177872, № 2191682, № 2185951);
• методики определения способности связки удерживать алмазные зерна (патенты № 2168407, № 2191680);
• методики определения количества алмазных зерен, удаленных с рабочей поверхности алмазных кругов в результате локального поворота, сдвига и разрушения алмазных зерен (патенты № 2191678, № 2191679, № 2191681).
Разработан расчетно-экспериментальный метод проектирования высококачественных алмазных кругов, не уступающих по работоспособности алмазным кругам ведущих иностранных фирм.
На защиту выносятся:
• соотношения типов разрушений в системе «алмазное зерно - связка» в виде локальных поворотов, сдвигов и разрушений собственно алмазных зерен;
• обобщенная модель сохранения положения алмазных зерен в связке, включающая модели локальных поворотов, сдвига и разрушения алмазных зерен;
• основы выбора рациональной марки алмазного порошка на основе исследования изнашивания алмазных зерен при минимизации влияния связки;
• порядок выбора связки на основе определения оптимальной скорости изнашивания связки относительно алмазных зерен;
• обоснование механизмов влияния критических режимов шлифования,
• условий эвакуации стружки на удельный расход алмазов;
• установленная связь между работоспособностью алмазных кругов и условиями их разрушения и изнашивания;
• комплекс методик определения условий, ограничивающих повышение работоспособности алмазных кругов.
Практическая ценность данной работы состоит в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны:
• расчетно-экспериментальный метод проектирования алмазных кругов, состоящий из комплекса расчетных и экспериментальных методик, защищенных патентами РФ;
• научные рекомендации по рациональной эксплуатации алмазных кругов на основе обоснованных механизмов влияния критических режимов шлифования, СОЖ и условий эвакуации стружки на работоспособность алмазных кругов;
• технические условия для изготовления алмазных кругов ТУ 3974-00107622006-2001 «Порошки алмазные металлизированные», ТУ 3974-00207622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на металлических связках», ТУ 3974-003-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетические алмазные, предназначенные на экспорт», ТУ 3974-00407622006-2001 «Микропорошки синтетические алмазные, предназначенные на экспорт», ТУ 3974-005-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на органических и металлоорганических связках».
Расчетно-экспериментальный метод проектирования, научные рекомендации по рациональной эксплуатации и технические условия изготовления алмазных кругов внедрены на заводах ОАО «ВеАл» и ОАО «Венфа», которые производят 28% алмазного шлифовального инструмента и 53% порошков из синтетических алмазов в Российской Федерации (данные 2001 г.).
Высококачественные алмазные круги на металлической связке серийно выпускаются для реализации на 156 предприятиях Чехии, Болгарии, Польши, Словакии, Венгрии, традиционно изготавливающих изделия из сортового и художественного стекла. Отечественные алмазные круги заменяют алмазные круги ведущих чешских фирм «Dias», «Pramet». Разработанные технические условия ТУ 3974-002-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на металлических связках» также постоянно используются на ОАО «ВеАл» и ОАО «Венфа» при производстве алмазных кругов на металлической связке для предприятий Российской Федерации.
Новые алмазоносные слои на кругах с органическими связками для чернового и чистового шлифования с применением и без применения СОЖ серийно выпускаются для шлифования сменных многогранных твердосплавных пластин, заточки твердосплавного деревообрабатывающего инструмента, а также металлорежущего инструмента па предприятиях Чехии, Болгарии, Турции, Австралии. Отечественные алмазные круги заменяют алмазные круги ведущих зарубежных фирм «Winter», «Wendt», «Lach» и «Wollmer» (Германия). Разработанные технические условия ТУ 3974-005-07622006-2001 «Шлифпорошки синтетических алмазов для абразивного инструмента на органических и металло-рганических связках» и ТУ 3974-001-07622006-2001 «Порошки алмазные металлизированные» также постоянно используются на ОАО «ВеАл» и ОАО «Венфа» при производстве алмазных кругов на органических связках для отечественных предприятий. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 1,7 млн. руб. (в ценах 2001 г.)
Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на международных научно-технических и научно-практических конференциях «Алмазный инструмент» (Москва, 1998, 1999), «Конструкторско-техническая информатика» КТИ - 2000 (Москва, 2000), «Качество машин» (Брянск, 2001), на Всероссийских научно-технических конференциях «Наука - производство — технологии - экология» (Вятка, 2001), «Материалы и технологии XXI века (Пенза, 2001), на региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2000).
В полном объеме диссертация доложена и обсуждена на научных семинарах в Институте сверхтвердых материалов НАМ Украины (Киев, 2000), в Государственном научном центре РФ Научно-производственного объединения по технологии машиностроения (Москва, 2002), во Всероссийском научно-исследовательском институте природных, синтетических алмазов и инструментов (Москва, 2002), в Тульском государственном университете (Тула, 2003).
По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе: монография, 10 патентов РФ на изобретения.
Автор выражает благодарность ст. науч. сотр., к.т.н. Ташлицкому Н.И. за ряд ценных советов, высказанных при ознакомлении с рукописью.
