Разработка и применение расчетно-экспериментального метода определения количества активных абразивных зерен в композиционном материале тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Сафонова, Мария Николаевна

• Сафонова, Мария Николаевна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сафонова, Мария Николаевна

Введение.^.'.

Глава I. Композиционные материалы абразивного назначения.

1.1. Классификация абразивных композиционных материалов.

1.2. Классификация абразивных материалов. Алмазы как основной абразивный материал.

1.3. Композиционный алмазосодержащий материал на основе ПТФЭ.

1.4. Факторы, влияющие на качество инструмента из абразивных композиционных материалов.

1.5. Цель и задачи исследования.

Глава II. Диагностика алмазных шлифпорошков и исследование размерного распределения зерен.

2.1. Технология изготовления и классификация алмазных порошков.

2.2. Характеристики и назначение алмазных шлифпорошков.

2.3. Технические требования, предъявляемые к зернистости и зерновому составу алмазных порошков.

2.4. Метод косвенной диагностики алмазных порошков.

2.5. Исследование распределения зерен алмазных шлифпорошков по размерам.

2.6. Обсуждение результатов.

Глава III. Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале.

3.1. Основы метода.

3.2. Критерий для выбора геометрической модели абразивного зерна.

3.3. Расчет' количества активных зерен в композиционном материале.

3.4. Проверка достоверности метода.

Глава IV. Результаты применения метода и исследование свойств композиционных материалов на полимерной основе.

4.1. Объекты исследования и их пробоподготовка. Методы и техника эксперимента.

4.2. Расчетно-экспериментальные результаты применения метода.

4.2.1. Выбор геометрической модели алмазного зерна.

4.2.2. Расчет количества активных зерен в КАМ.

4.2.3. Проверка достоверности результатов.

4.3. Исследование плотности и твердости композиционных алмазосодержащих материалов.

4.4. Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение расчетно-экспериментального метода определения количества активных абразивных зерен в композиционном материале»

Для обеспечения высоких значений эксплуатационных параметров абразивного инструмента необходим тщательный выбор типа полимерного связующего, вида, концентрации и зернистости абразивного материала, который определяется в зависимости от выполняемой операции, обрабатываемого материала, метода шлифования, особенностей технологии изготовления, формы и размера рабочего слоя алмазного инструмента. Производительность работы шлифовальных инструментов во многом зависит от степени использования режущих свойств зерен. Преждевременное выпадение зерен из связки приводит к повышенному износу, а иногда и к полной потере работоспособности инструмента. В число основных задач при разработке режущих инструментов входит необходимость повышения основных технических характеристик износостойкости, прочности, а также улучшения эксплуатационных параметров работоспособности инструмента. Работоспособность абразивных инструментов определяется их износостойкостью, эффективностью работы, качеством обработанной поверхности и характеризуется такими основными эксплуатационными параметрами, как удельный расход абразива, производительность и шероховатость Производительность шлифования и обработанной поверхности [1—5]. качество обработки существенно зависят от стабильности режущих свойств инструмента, т.е. стабильности количества активных абразивных зерен в процессе его эксплуатации. Поэтому при разработке композиционных материалов абразивного назначения особенно важным является определение изменения количества активных зерен (A3) при трении и изнашивании. Существующие методы расчета дают возможность вычислять исходную объемную концентрацию A3 в связке, однако, не позволяют определить ее изменение в процессе работы инструмента [5—11]. Поэтому тема диссертационной работы, посвященной решению этой проблемы, является актуальной задачей композиционных материалов с дисперсными материаловедения наполнителями. Целью исследования является разработка и реализация расчетноэкспериментального метода определения количества активных абразивных зерен со статистически равномерным распределением их в объеме композиционного материала. В данной работе впервые показана возможность оценки стабильности режущих свойств спеченных абразивных инструментов путем определения изменения концентрации активных абразивных зерен в процессе их эксплуатации. Установлены и объяснены закономерности и механизмы динамики концентрации активных зерен шлифпорошков синтетического и природного алмазов в полимерной матрице в зависимости от их зернистости. Зерновой состав шлифпорошков из природных алмазов впервые исследован методом косвенной диагностики, основанным на данных микроскопического анализа. В связи с этим на защиту выносятся следующие результаты: разработка расчетно-экспериментального метода определения количества активных зерен в композиционном материале, основанного на измерениях их размерных характеристик; исследование закономерностей динамики концентрации A3 абразивных материалов в матрице в процессе трения и изнашивания с применением разработанного метода; исследование размерного распределения зерен и идентификация природных и зернистости и зерновых составов щлифпорошков из синтетических алмазов методом косвенной диагностики, основанным на данных микроскопического анализа. Разработанный в данной работе метод может найти применение при оценке изменения концентрации дисперсных наполнителей произвольной формы со статистически материала равномерным распределением объеме и композиционного инструментального, триботехнического конструкционного назначения (поверхности и покрытия), в частности, при оценке стабильности режущих свойств абразивных инструментов, изготовленных методом спекания.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Сафонова, Мария Николаевна

Г. Разработан расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен (A3) в композиционном материале, основанный на измерениях их размерных характеристик, который позволяет определить концентрацию частиц дисперсного наполнителя произвольной формы с однородным объемным распределением и ее изменение в приповерхностном слое композиционного материала при внешних воздействиях.2. Проведено исследование закономерностей изменения концентрации A3 шлифпорошков из синтетических и природных алмазов зернистостей 50/40,

80/63, 125/100 в полимерной (ПТФЭ) матрице в процессе трения и изнашивания и показано, что максимальной стабильностью количества A3 при испытаниях на трение из исследованных абразивных материалов обладают шлифпорошки зернистости 80/63.3. Проведена идентификация зернистостей и зерновых составов алмазных шлифпорошков методом компьютерного диагностического ситования.4. Изучены механизмы динамики концентрации A3 алмазных шлифпорошков в полимерной матрице в процессе трения и изнашивания- и установлено, что прочность удержания алмазных зерен в полимерной матрице определяется, в основном, степенью уплотнения композиционного материала: введение наполнителя не влияет на надмолекулярную структуру полимерной матрицы; композиции, содержащие алмазные шлифпорошки зернистости

80/63, обладают максимальными значениями плотности и твердости среди исследованных абразивных материалов.5. Стабильность концентрации A3 в композиционном материале обеспечивает износостойкость (низкий удельный расход алмаза), эффективность и стабильность работы (высокую производительность и качество обработанной

поверхности) опытных абразивных инструментов, изготовленных из исследованных композиционных материалов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сафонова, Мария Николаевна, 2008 год

1. Бакуль В. Н. Работоспособность алмазных кругов на органической связке отечественного и зарубежного производства. —Киев, -1969. 25с.

2. Новиков Ы.В. Инструменты из сверхтвердых материалов. Москва: Машиностроение, 2005г. 555с. 3. Д.В. Кожевников. Режущий инструмент: Учеб. пособие Д.В. Кожевников 2-е изд., перераб. и доп. М.Машиностроение, 2005. 526 с.

3. Сверхтвердые материалы. Получение и применение. Т. 1: Синтез алмаза и подобных материалов. Отв. ред. А.А. Шульженко. Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ «АЛКОН», 2003. 320 с.

4. Верещагин В.А., Журавлев В.В. Композиционные алмазосодержащие материалы и покрытия. Композиционные алмазосодержащие материалы и покрытия, г. Минск. «Ыувука i Тэхшка». -1991г. 208с. 6. А. Г. Щиголсв, Б. И. Полупан, В.В. Коломиец. Определение количества зерен по глубине рабочего поверхностного слоя алмазного инструмента Синтетические алмазы .1979, №3, с.19-25

5. Бакуль В.Н. Определение числа частиц в одном карате алмазного порошка, К., 1966. 8. A. Umezaki, М. Enomoto. Estimation of number of precipitate particles per unit volume from measurements on polished specimen surfaces computer simulation ISIJ international, Vol. 40 (2000), No. 11, pp. 1142-1148.

6. Редько Г., Королев А.В. Расположение абразивных зерен на рабочей поверхности шлифовального круга. Станки и инструмент, 1970, 5, с. 4041.

7. Резников А.Н., Щипаиов В.В. Исследование мгновенной контактной поверхности при шлифовании. Вестник машиностроения, 1974. 203с.

8. Узузяи М.Д. Теоретический анализ и расчет количества зерен на рабочей поверхности алмазного круга. -Резание и инструмент, 1978, вып. 19, с. 75—82.

9. Основы алмазного шлифования Под ред. Силко М.Ф. Киев: Наукова думка, 1978.-250 с.

10. Попов А., Малевский Н.А., Терещенко A.M. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. Москва: Машиностроение, 1977. 263 с.

11. Sveg G. А. Lapid Jour (USA) 1975 Р/ 564-568.

12. Алмазные инструменты Под ред. Петросяна А.К. Москва: Машиностроение, 1982.-98с.

13. Хрульков В.А., Головаиь А.Я., Федотов А.И. Алмазные инструменты в прецизионном приборостроении. Москва: Машиностроение, 1977. С 41 63. 17. Пат. 397925 (США), 1973. 18. Пат. 3999962 (США), 1975. 19. Пат. 4062660 (США), 1973. 20. Пат. 24296449 (Франция), 1978.

14. Еланова Т.О. Финишная обработка изделий алмазными шлифовальными инструментами. Москва: ВЫИИМЭТР, 1991. 52 с.

15. Бочаров A.M., Климович А.Ф. и др. Изнашивание монокристаллов алмаза. Минск: Беларуская навука, 1996.-е. 142.

16. Термины и определения. ГОСТ 21445-84 (СТ СЭВ 4403-83). ГОСТ 2350

17. Гост.комитет СССР по стандартам. —Москва: Изд-во стандартов, 1985.

18. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т.

19. Композиционные инструментальные сверхтвердые материалы Редкол.: Новиков Н.В. (отв. ред.) и др. Киев: Наукова думка, 1986. 264 с.

20. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник под ред. А.Н. Резникова. Москва: Машиностроение, 1977.- 391 с.

21. Маршинцев В.К., Дудко Е.А., Шарин П.П. Алмазы и золото Якутии. 2001. №1. 35-37.

22. Никитин Ю.И. Технология изготовления и контроль качества алмазных порошков. Киев: Наукова думка, 1984. 264 с. 29. ДСТУ 3292-

23. Порошки алмазны синтетичш. Загалып техшчш умовь Внед. 01.01.96. -Киев: Держстандарт Украши, 1995.

24. Кащук В.А., Верещагин А.Б. Справочник шлифовщика. Москва: Машиностроение, 1988.—477 с.

25. Синтетические алмазы в геологоразведочном бурении. Под ред. Бакуля В.Н. Киев: Наукова думка, 1978. 232 с.

26. Калина Ю.П. Абразивные материалы. Рига: Типография РПИ, 1989. 55 с.

27. Природные алмазы России: Научно-справ. изд. Под ред. В.Б. Квасков Москва: Полярон, 1997. 304 с.

28. Бабичев А.П., Бабушкина A.M. и др. Физические величины: Справочник.// Под ред. И.С. Григорьева. Москва: Энергоатомиздат. 1991. 363 450.

29. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

30. Чалый В.Т., Орап А.А. Механохимические принципы создания суперфииишного полимерного композита на основе алмазов и тугоплавких соединений. Киев: Институт сверхтвердых материалов АН УССР, 1979. 71-82. 37. И.П. Захаренко. Алмазные инструменты и процессы обработки. Киев: Техника, 1980. 255 с.

31. Матюха П.Г., Мартынов В.И. Расчет прочности закрепления алмазного зерна в металлической связке. Резание и инструмент. 1990. Вып. 46. 14-19.

32. Лупинович Л.М., Мамин Х.А. Опыт применения полимерных иатериалов в абразивной промышленности. Москва: Наука, 1986. с. 14-46.

33. Справочник по пластическим массам. Под ред. В.М. Катаева, В.А. Попова и др. Москва: Химия, 1975. Т.,-С. 123, 127, 129, 445. 42. Н.П. Истомин, А.П. Семенов. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров. —Москва: Наука, 1981. С 146, 180.

34. Пугачев А.К. Композиционные материалы на основе термопластов. Ленинград: ОНПО «Пластополимср», 1980. 54с.

35. Липатов 10. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, 1977.304 с.

36. Пугачев А.К., Росляков О.А. Переработка фторопластов в изделия. Технология и оборудование. -Ленинград: «Химия»,-1987.-168 с.

37. Рекомендации по применению фторопластовых композитов для уплотнительных устройств. -Якутск: Изд. ЯФ СС АН СССР.-1988.-56 с.

38. Гуль В.Е., Агутин М.С. Основы переработки пластмасс. Москва: «Химия»,- 1985.400 с. 48. Е.Л. Прудников, М. П. Гамашок, О.А. Кабыш. Методика расчета количества зерен в однослойном алмазно-гальваническом покрытии. Синтетические алмазы, вып. 4, 1976.

39. Хрульков В.А., Головаиь А.Я. Особенности алмазного шлифования и доводки деталей из металлокерамических твердых сплавов. Сборник тьрудов: Алмазный инструмент и процессы алмазной обработки, вып 1. М., 1964.

40. Кондратов А.С, Старков В.К. Закономерности расположения зерен на рабочей поверхности алмазного круга. Сборник трудов: Внедрение алмазов в промышленности. М., 1-ГИИМАШ, 1967.

41. Байкалов А.К. Введение

42. Узузян М.Д. Расчет числа зерен, участвующих в резании, и расстояние между ними на поверхности алмазного круга. Станки и режущие инструменты, 1966, вып. 1, с. 81-85.

43. Справочник по алмазной обработке металлорежущего инструмента Под ред. В.Н. Бакуля. Киев: Техшка, 1971.-208 с. 54. Ю.М. Ковальчук, и В.А. Букин, Б.А. Глаговский и др. и Основы алмазного проектирования технология изготовления абразивного инструмента. М Машиностроение, 1984. 2 8 8 с.

44. Никитин Ю.И., Уман СМ., Коберниченко Л.В. и др. Порошки и пасты из синтетических алмазов. Киев: Наукова думка, 1992. 284 с.

45. Никитин Ю.И., Петасюк Г.А. К вопросу определения показателей зернового состава порошков синтетических алмазов разными методами Сверхтвердые материалы. 1997. 1 С 38-45.

46. Бакуль В.Н. Зернистость порошков из синтетических алмазов Синт. Алмазы. 1969. Вып. 5. 1-7.

47. Бочаров A.M., Симоиенков В.А., Тимошенков В.Е. Классификация алмазного сырья по системе SITY. М.,1990.

48. Основы алмазного шлифования Под ред. Силко М.Ф. Киев: Наукова думка, 1978.-250 с. 60. А.С. Полубелова, В.Н. Крылов. Производство абразивных материалов. Л., Машиностроение, 1968, 74с.

49. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента В.Н.Бакуль, Ю.И. Никитин, Е.Б. Верник и др. М. Машиностроение, 1975. -296 с.

50. Захаренко И.П. Эффективность обработки инструмента материалами. М. Машиностроение, 1982. —224 с.

51. Мишыаевский Л.Л. Износ шлифовальных кругов. Киев Наукова думка, 1982.- 192 с. сверхтвердыми

52. Кудасов Г.Ф. Абразивные материалы и инструменты. Ленинград: Машиностроение, 1967. 159 с. 65. СТП 090.016-

53. Методика определения зернистости и марки шлифпорошков синтетических алмазов и оценки зернистости их зернового состава на основании данных микроскопического анализа НАН Украины. ИН-т сверхтвердых материалов. Киев, 1997. 18 с.

54. Глаговский Б.А., Ронштейн Г. М., Яшин В.А. Контрольно-измерительные приборы и основы автоматизации производства абразивных инструментов. Л.: Машиностроение, 1980. 286 с.

55. Зарецкая Г.М., Лавров И.В., Филоненко Н.Е. Искусственные абразивные материалы под микроскопом. М.: Недра, 1981 159 с.

56. Ипполитов Г.М. Абразивно-алмазная обработка. М.: Машиностроение, 1969. 335 с.

57. Оборудование и оснастка предприятий абразивной и алмазной промышленности: Учеб. пособие для машиностроительных техникумов Под общ. ред. В.А. Рыбакова. М.: Машиностроение, 1981. 271 с. 70. ГОСТ 9306-

58. Порошки алмазные Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1981.

59. Васильев Л.А., Белых З.П. Алмазы, их свойства и применение. М., Недра 1983. 101с. 72. В.И. Лаврепсико, А.А. Шепелев, Г.А. Петасюк. Модели формы зерен СТМ Сверхтвердые материалы. 1994, №5-6, с 18-21. 73. М.М.Цымбалист, Н.А.Руденская, Б.П.Кузьмин, В.А.Паньков. Учет фактора формы при ситовом анализе несферических порошков Физика и химия обработки материалов 2003, №6, с.61-63.

60. Захаренко И.П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента. Киев: Наук. Думка, 1981. 300 с.

61. Новиков Н.В., Никитин Ю.И., Петаскж Г.А. Компьютерное диагностическое сито для идентификации зернистости и зернового состава микроскопических проб алмазных шлифпорошков Сверхтвердые материалы .2003. №З.С. 71-83. 76. ДСТУ 3292-

62. Порошки алмазнп синтетичнь Загальш техшчш умовь Внед. 01.01.96. -Киев: Держстандарт Украши, 1995.

63. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г. Повышение качества шлифовальных поверхностей и режущих свойств абразивно-алмазного инструмента. Минск; Наука и техника, 1972.-480 с.

64. Новиков Н.В., Никитин Ю.И., Боримский А.И. и др. Характеристики монокристаллических алмазных шлифпорошков марок АС100, АС125, АС160 Сверхтвердые материалы. 1990. №4. 4347.

65. Никитин Ю. И., Петасюк.Г А. Компьютерная идентификация зернистости и зернового состава шлифпорошков синтетических алмазов без применения сит //Сверхтвердые материалы. 1998. №1. 79-86 80. А. Г. Зайцев. Объемные измерения зерен алмазных и кубонитовых шлифовальных порошков. Сверхтвердые материалы 1982, №1. С 33-35.

66. Никитин Ю.И., Уман С М Диспергирование и классификация порошков из синтетических алмазов. Синтетические алмазы, 1977, вып. 5, с. 27-31.

67. Кныш В., Склепчук В.А. Выбор формы зерна при моделировании процессов шлифования Резание и инструмент. 1988-Вып. 39.-С. 95-98.

68. Абразивная и алмазная обработка материалов Справ. Под. ред. А.Н. Резникова.-М.: Машиностроение-1977.-389 с.

69. Seiri Matsui. Statistical approach to drinding mechanism influence of the distribution in depth for the position of grain tip angles Technology Reports Tohoki University. 1978.-Vol. 32, N 2.-P. 297-312.

70. Матюха П.Т., Полтавец В.В. Геометрическая форма алмазного зерна при алмазно-искровом шлифовании Резание и инструмент. 1987-Вып. 38— 23-29.

71. Мишнаевский Л.Л., Износ шлифовальных кругов.—Киев Наук. Думка, 1962.-192 с. 87. А.Салтыков. «Стереометрическая металлография». М.Металлургия, 1970, 376.

72. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1965. 511с.

73. Зайцев кубонитовых А.Г. Объемные измерения зерен алмазных, эльборовых шлифовальных порошков.-Известия вузов. Машиностроение, 1980, 5 с. 135-137.

74. Underwood Е.Е., Metals Eng. Quart., 1, 70 (1961).

75. Салтыков C.A., Стереометрическая металлография, Металлургиздат, М., 1958, стр. 446.

76. Johnson W.A, M?ta/Progr., 49, 87(1946).

77. Scheil Е., Z Arong. Allgem. Chem., 201, 259 (1931).

78. Schwartz H.A., Metalls Alloys, 5, 139 (1934).

79. Спектор А.Г., Заводская лаборатория, 16, №2, 173 (1950).

80. Cahn J. W., Fullman R.L., Trans. AIME, 206, 610 (1956).

81. Приборы и методы физического металловедения. Под ред. Ф.Вейенберга. Изд-во «Мир», Москва 1973.

82. Fullman R.L., Trans. AIME, 197, 447, 1267 (1953).

83. Mack Proc. Camb. Phil. Soc, 1986, v. 52, p.246

84. Hull F. C, Houk W. J., Trans. AIME, 197, 565 (1953). ЮЗ.Сыромятникова А.С, Сафонова M.H., Шиц Е.Ю. Методика оценки работоспособности алмазных инструментов//. Труды I Евраз. симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Якутск, 2002. 4.5. 76 80. Ю

85. Бейлина Л.В., Кошелев А.Г. и др., Высокопроизводительные алмазные хонинговальные бруски Сб. ст. Полимерабразивные технологические материалы и инструменты в металлообработке. Киев: Наукова думка,- 1981. 17-20. Ю

86. Галицкий В.Н., Курищук А.В., Муравский В.А. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали. Киев: «Наукова думка», 1986. 130 с. Юб.Жуковец И.И. Механические испытания металлов. М.: «Высшая школа», 1986.