Оценка износостойкости композиционных материалов и изготовленных из них шлифовальных кругов

Существует много показателей эксплуатационных характеристик абразивного круга [1]. К числу основных показателей, непосредственно характеризующих режущую способность и износостойкость абразивных кругов, относятся коэффициент шлифования K _ш , скорость резания ^ m и скорость износа круга ^ k :

V

K ш = т;(1)

Vk

и

£ т = -т;(2)

у,

^к = -^L.(3)

где V_т , V_k – соответственно срезанный за время испытаний объем металла и отработанный объем круга; t – время испытаний.

Показатели (1)–(3) зависят от качества композиционного материала круга, его геометрических параметров и режимов шлифования: окружной скорости круга и скорости радиальной подачи. Учитывая совокупное влияние всех перечисленных факторов, они объективно отражают эксплуатационные свойства круга, но лишь на момент испытания, не гарантируя их достоверность при эксплуатации круга, когда даже в процессе одной операции изменяются режимы шлифования. Кроме того, изготовителям абразивной продукции необходимы показатели, которые бы однозначно харак- теризовали режущую способность и износостойкость композиционного материала круга вне зависимости от его геометрии и режимов эксплуатации. Таким образом, существует проблема однозначной оценки служебных свойств абразивных кругов и тем более абразивных материалов, усложняющая процедуру принятая эффективных решений как на стадии изготовления абразивной продукции, так и на стадии ее эксплуатации [2].

Для оценки эксплуатационных свойств композиционного материала круга вне зависимости от геометрических параметров круга и режимов его эксплуатации необходимы показатели, инвариантные режимам испытания, либо строгая регламентация условий испытания, которую практически не всегда удается обеспечить простыми средствами. Что касается оценки эксплуатационных свойств кругов, то информативность и качество оценки могут быть повышены на основе изучения зависимости показателей (1)–(3) от режимов шлифования.

Предложен ряд показателей эксплуатационных свойств круга, упрощающих процедуру исследований и имеющих большую корреляцию со свойствами материала круга. В частности, показатели удельной скорости резания и удельной скорости износа, приходящиеся на единицу поверхности образца ( S_m ) и не требующие регламентации размеров испытуемого образца в процессе испытаний:

⁵ m уд

V m

Sm ■ t ’

k yд

V k

S m ■ t

Показатели, характеризующие эффективную

K sm

A h

S

и не эффективную

K

AR

sk S

составляющие радиальной подачи, сумма которых равна единице

K sm ( t ) + K sk ( t ) = 1.

Например, при K_sm ( t ) = 0,3 и K_sk ( t ) = 0,7 следует очевидный вывод о том, что 30 % радиальной подачи идет непосредственно на съем металла, а 70 % – на износ круга. Подобной наглядной и информативной оценки работоспособности круга не обеспечивают известные показатели.

Можно полагать, что возможность поиска новых показателей, обеспечивающих дополнительную полезную информацию, далеко не исчерпана.

Зависимость показателей (1)–(3) от режимов шлифования изучалась следующим образом. Испытание круга осуществляли равными по времени этапами до полного его износа. После каждого этапа осуществляли замер высоты стержня и диаметра круга [3].

Зависимости текущего диаметра круга и высоты стержня от времени аппроксимировали полиномами второй степени

D ( t ) = P o +₽ ! • t + P 2 • t 2 ;                        (8)

h ( t ) = a ₀ + a 1 • t + a ₂ • t 2 .                        (9)

При известных зависимостях D ( t ) и h ( t ) всю необходимую для всестороннего анализа процесса шлифования информацию получали расчетным путем:

A h ( t ) = h - h ( t ) ;

A R ( t ) = 2 [ D 0 - D ( t ) ] ;

V_m ( t ) = 0,25 -я- d ² •A h ( t ) ;

V k ( t ) = 0,25 .л* d [ D 02 - D ( t ) ² ] ;

K ш ( t ) =

V m ( t ) .

V k ( t ) ;

5 m ( t ) =

dV m ( t ) d ( t )

5 k ( t ) =

dV_k ( t ) d ( t )

⁵ m уд ⁽ t h^ ; ⁵ k yд ⁽ t ⁾ = ^ ^{k ( t )} ; S_m            S_m

S ( t ) = A h ( t ) + A R ( t ) ; 5 s ( t ) = dti

, . л^ D ( t )              , .      u ( t )

u ( t ) =        • n ; K Д t ) =       ;

^{v k} 60              ° s^{v 7} 5 _s ( t )

K _m( t          ; к ( t ) = ^A R ^{( t} -⁾

^smW S ( t )      ^skV} S ( t )

и т. д., например, вычислив производные d (Ah (t)) d (t)

d ( AR ( t ) )                        dS ( t )

и          и поделив их на , получим со- dS (t)                              d (t) , d (Ah (t))    d (AR (t))

ответственно           и          , анализ кото- dS(t)         dS (t)

рых полезен в плане эффективного управления скоростью радиальной подачи. Очевидно, что при d ( A h ( t ) )

—( ) ⁷ < 0 повышение скорости радиальной подачи понизит режущую способность и т. д.

Разработанная программа иллюстрирует представленные выше зависимости в виде графиков, показывающих динамику изменения различных показателей процесса во времени (рис. 1). Служебные свойства круга по мере его эксплуатации непрерывно ухудшаются, что проявляется в повышении скорости износа, снижении скорости резания и коэффициента шлифования.

Время мин. (этапы)

Рис. 1. Динамика изменения основных эксплуатационных показателей

Понижение служебных свойств абразивного круга по мере его эксплуатации может быть вызвано неоднородностью в радиальном направлении свойств абразивного материала круга, явлением засаливания и изменением режимов шлифования. Специальными исследованиями было установлено отсутствие неоднородности свойств материала

Отношение окружной скорости круга к скорости радиальной подачи

Отношение окружной скорости круга к скорости радиальной подачи

Рис. 2. Эмпирические зависимости эксплуатационных характеристик абразивного круга от отношения окружной скорости круга к скорости радиальной подачи круга и весьма незначительное влияние на свойства засаливания.

Изменение режимов шлифования по мере эксплуатации круга обусловлено уменьшением диаметра круга; снижением окружной скорости круга и изменением скорости подачи, что имело место в режиме резания с постоянной заданной радиальной нагрузкой на круг.

Установлена высокая корреляция целевых функций K ш ( t ) , £ m ( t ) , £ к ( t ) , с отношением окружной скорости круга к скорости радиальной подачи K _{u 5} ( t ) . Коэффициенты корреляции соответственно равнялись 0,983; 0,999 и 0,945. Коэффициент детерминации, характеризующий долю дисперсии одной переменной в результате изменения другой, более 0,95 . Это означает, что по мере эксплуатации круга изменение отношения окружной скорости круга к скорости радиальной подачи имеет определяющее влияние на эксплуатационные характеристики круга. Программа обработки опытных данных аппроксимирует полиномами опытные з^{ависимости} K ш ( K и 5 ) , ^ m уд ⁽ K и 5 ) , ^ куд ( K и 5 ) , рекомендуемые для анализа при принятии решений по совершенствованию абразивного материала круга и разработке рациональных режимов шлифования. Рис. 2 иллюстрирует характер рассматриваемых зависимостей. Представленная выше методика испытания и обработки опытной информации, позволяющая определять различные показатели режущей способности и износостойкости круга, а также установить причины изменения свойств кругов в процессе эксплуатации, рекомендована для исследовательских целей и контроля свойств кругов в производственных условиях. Разработан вариант методики для отрезных кругов.

При исследовании эксплуатационных свойств материала круга вне зависимости от его геометрии и режимов шлифования в процессе испытаний необходимо обеспечить постоянство отношения окружной скорости круга к скорости радиальной подачи, что, как уже отмечалось, не удается сделать простыми средствами.

Для решения этой проблемы предложен способ исследования эксплуатационных свойств композиционного материала круга, исключающий самопроизвольное изменение режимов шлифования в процессе испытаний.

Предлагается шлифовать полый цилиндрический образец торцевой, а не радиальной поверхностью круга по схеме рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального исследования режущей способности и износостойкости круга

Цилиндрический полый образец может вращаться относительно закрепленного либо (для повышения скорости относительного смещения) вращающегося круга во встречном направлении. Важно заметить, что для испытания может быть использован не целый круг, а его отдельные фрагменты либо специально изготовленные из абразивной смеси образцы, существенно меньших размеров, чем круг. Способ может быть реализован на обычном токарном станке при закреплении образца-трубы в патроне, а фрагмента круга в резцедержателе. Основным достоинством способа является возможность независимого варьирования парамет- ров режима шлифования при постоянстве других параметров в процессе испытания. Полная регламентация условий испытания позволит выявить взаимосвязь свойств абразивного материала с эксплуатационными характеристиками круга.