Результат интеллектуальной деятельности: МАССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

Изобретение относится к области механической обработки материалов, а именно к шлифованию и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при обработке вязких труднообрабатываемых материалов.

Известна масса для изготовления абразивного инструмента, включающая абразив, эпоксидную смолу, полиэтиленполиамин, органический модификатор, высокопрочный ферритный чугун дисперсности D_вч = (1,2 – 1,5)d_А, где d_А – дисперсность абразива, и кристаллический йод при следующем соотношении компонентов, масс. %: абразив – 35 – 50; полиэтиленполиамин – 3,5 – 5,0; органический модификатор – 2,5 – 3,5; высокопрочный ферритный чугун – 20 – 25; кристаллический йод – 0,5 – 1,0; эпоксидная смола – остальное (см. патент RU №2392109, МПК В24D 3/28, опубл 20.06.2010, бюлл. №17).

Известна масса для изготовления абразивного инструмента, включающая абразив, эпоксидную смолу, полиэтиленполиамин, органический модификатор, высокопрочный ферритный чугун дисперсности D_вч = (1,2 – 1,5)d_А, где d_А – дисперсность абразива, кристаллический йод, серый чугун дисперсности D_сч = (0,8 – 1,0)d_А при следующем соотношении компонентов, масс. %: абразив – 40 – 50; полиэтиленполиамин – 3,5 – 5,0; органический модификатор – 2,5 – 3,5; высокопрочный ферритный чугун – 15 – 20; кристаллический йод – 0,5 – 1,0; серый чугун 5 – 10; эпоксидная смола - остальное (патент RU № 2620208, МПК В24D 3/28, опубл 23.05.2017, бюлл. №15).

Наиболее близким техническим решением является масса для изготовления абразивного инструмента, включающая абразив, эпоксидную смолу, полиэтиленполиамин, высокопрочный ферритный чугун, древесную золу и дийодид хрома при следующем соотношении компонентов, масс. %: абразив – 40 – 50; полиэтиленполиамин – 3,5 – 5,0; высокопрочный ферритный чугун – 15 – 20; древесная зола – 5 – 8; дийодид хрома = 3 – 5; эпоксидная смола – остальное (патент RU № 2574183, МПК В24D 3/28, опубл 10.02.2016, бюлл. №4).

Однако данная масса имеет низкий период стойкости абразивного инструмента между правками из-за разрушения связки на основе эпоксидной смолы, что существенно сужает область использования таких абразивных инструментов при обработке вязких труднообрабатываемых материалов, низкая производительность обработки.

Задачей изобретения является расширение области использования абразивных инструментов при обработке вязких труднообрабатываемых материалов за счёт увеличения стойкости абразивного инструмента между переточками и повышения производительности обработки.

Сущность изобретения заключается в том, что масса для изготовления абразивного инструмента, включающая абразив, высокопрочный ферритный чугун дисперсности D_вч = (1,2 – 1,5)d_А, где d_А – дисперсность абразива, порошок серого чугуна дисперсности D_сч = (0,8 – 1,0)d_А и дийодид хрома, дополнительно содержит древесную муку с размером частиц D_м = (1,0 – 1,2)d_А и глину при следующем соотношении компонентов, масс. %;

абразив 40 – 50

высокопрочный ферритный чугун 10 – 15

порошок серого чугуна 5 – 10

дийодид хрома 2 – 3

древесная мука 8 – 10

глина 22 – 25

Технический результат: Добавление в массу для изготовления абразивного инструмента древесной муки с размером частиц D_м = (1,0 – 1,2)d_А обеспечивает в процессе обжига при температуре 950 – 1100^оС спрессованной абразивной массы образование древесной золы за счёт сгорания частиц древесной муки. Образующаяся в порах абразивного инструмента мелкодисперсная древесная зола выполняет роль модификатора и стабилизатора структуры возникающих на обрабатываемой поверхности йодидов железа, т.к. вследствие нестабильности локальных температур в зоне обработки, изменяющихся в диапазоне 500 – 900^оС, процесс разложения дийодида хрома протекает нестабильно с формированием структурно не одинаковых комплексных соединений, что сказывается на равномерности распределения йодидов как по поверхности, так и по толщине образующегося слоя. Глина предназначена для создания связки между абразивными зёрнами инструмента.

Характеристика исходных материалов

1. Абразив (электрокорунд, эльбор, карбид титана, карбид кремния и т.д.) в предлагаемой массе для изготовления абразивного инструмента предназначен для снятия слоя металла с обрабатываемой поверхности детали.

2.Высокопрочный ферритный чугун (ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ50-7 ГОСТ 7293-79) дисперсности D_вч = (1,2 – 1,5)d_А, где d_А – дисперсность абразива, в предлагаемой массе для изготовления абразивного инструмента выполняет роль наполнителя, т. к. он, обладая абразивными свойствами, способствует сглаживанию микронеровностей обрабатываемой поверхности за счёт содержащегося в нём связанного графита шаровидной формы. В результате шероховатость обработанной поверхности детали уменьшается без уменьшения дисперсности зерна абразива (см. патент RU № 2155668. МПК В24D 3/28. Бюлл. № 25. 2000).

3.Использование в массе для изготовления абразивного инструмента порошка серого чугуна дисперсности D_сч = (0,8 – 1,0)d_А, содержащего в своём составе феррит и графит пластинчатой формы (см. Материаловедение: Учебник для втузов / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – С. 169 – 171), позволяет создавать на рабочих поверхностях абразивных зёрен плёнки из йодидов железа, обладающих хорошей сцепляемостью с абразивным материалом и выполняющих роль твёрдой смазки (см. Латышев В.Н., Наумов А.Г., Раднюк В.С. Применение йода как компонента СОТС при резании металлов // Металлообработка. – 2008. – № 3(45). – С. 9 – 12). Графит пластинчатой формы, являясь также твёрдой смазкой, уменьшает коэффициент трения в зоне контакта абразивных зёрен с обрабатываемой поверхностью детали, снижает температуру шлифования и повышает стойкость абразивного инструмента, т.е. время между его правками.

4.Введение в предлагаемую массу дийодида хрома позволяет в процессе резания получать в зоне обработки свободный и химически активный йод, который, реагируя с железом, образует йодиды железа пластинчатой формы.

5.Древесная мука с размером частиц D_м = (1,0 – 1,2)d_А вводится в массу для создания в порах абразивного инструмента древесной золы, стабилизирующей процесс образования йодидов железа на обрабатываемой поверхности детали.

6.Глина предназначена для создания связки между абразивными зёрнами инструмента.

Пример.

Массу для изготовления абразивного инструмента получают следующим образом. Готовится формовочная смесь путём последовательного добавления в предварительно измельчённую и увлажнённую до 20% влажности глину абразива (например, электрокорунда), высокопрочного ферритного чугуна дисперсности D_вч = (1,2 – 1,5)d_А, где d_А – дисперсность абразива, порошка серого чугуна дисперсности D_сч = (0,8 – 1,0)d_А и тщательного их перемешивания в течение 3 – 4 мин. Затем в смесь последовательно добавляют при непрерывном перемешивании дийодид хрома и древесную муку с размером частиц D_м = (1,0 – 1,2)d_А. После формирования состава масса для изготовления абразивного инструмента окончательно перемешивается в течение 5 – 6 мин, после чего засыпается в специально приготовленные формы для последующего прессования и обжига абразивного инструмента.

Для определения оптимального соотношения компонентов в предлагаемой массе для изготовления абразивного инструмента проведены испытания шлифовальных кругов разного состава, полученных по выше описанной технологии. В качестве абразива использовался электрокорунд нормальный 14А зернистости 25 (средний размер абразивных зёрен 250 мкм). Масса для изготовления абразивного инструмента содержала порошок высокопрочного ферритного чугуна ВЧ38-17 дисперсности D_вч = 320 мкм, порошок серого чугуна СЧ15 дисперсности D_сч = 200 мкм, измельчённый дийодид хрома с размером частиц 150 – 200 мкм, древесную муку с размером частиц D_м = (250 – 300) мкм, измельчённую и увлажнённую до 20% влажности глину. В соответствии с ГОСТ 2424-83 шлифовальные круги изготавливались с размерами DхHхd = 400х40х127. Обработке подвергались цилиндрические валики из стали 12Х2Н4А диаметром 30 мм и длиной 250 мм, прошедшие предварительную чистовую токарную обработку и имеющие следующие показатели качества поверхностного слоя: шероховатость поверхности Ra = (2,5 – 3,2) мкм, толщина поверхностного слоя с изменёнными физико-механическими свойствами H = (0,3 – 0,4) мм. Шлифование валиков осуществлялось на круглошлифовальном станке мод. 3М151 с использованием в качестве смазочно-охлаждающей жидкости 5-процентного водного раствора эмульсола «Укринол-1». Были приняты следующие режимы шлифования: скорость вращения шлифовального круга V_кр = 35 м/с; скорость вращения обрабатываемого валика V_д = 0,38 м/с (n_д = 250 об/мин); продольная подача круга S_пр = 0,1 мм/об.; подача врезания S_вр = 0,05 мм/дв.х.; число проходов m = 1. Оценка эффективности состава массы для изготовления абразивного инструмента осуществлялась по следующим показателям качества обработанной поверхности валика (рассчитывались средние значения показателей по результатам десяти последовательно проведённых экспериментов): параметру шероховатости поверхности Ra, толщине поверхностного слоя с изменёнными физико-механическими свойствами H, относительной площади прижогов на обработанной поверхности S. Результаты исследований по определению оптимального соотношения компонентов в предлагаемой массе для изготовления абразивного инструмента приведены в таблице 1.

Из анализа таблицы 1 видно, что наилучшие значения показателей качества поверхностного слоя шлифованных валиков (Ra = 1,17 мкм, H = 0,29 мм, S = 8%) были получены при следующем соотношении компонентов в предлагаемой массе для изготовления абразивного инструмента, масс. %: абразив 45; высокопрочный ферритный чугун – 12,5; порошок серого чугуна – 7,5; дийодид хрома – 2,5; древесная мука – 9; остальное (23,5) – глина.

Проведены сравнительные испытания шлифовальных кругов, изготовленных из абразивной массы по наиболее близкому аналогу (см. патент RU № 2574183) и из предлагаемой абразивной массы для изготовления абразивных инструментов состава, масс. %: абразив – 45; высокопрочный ферритный чугун ВЧ38-17 дисперсности D_вч = 320 мкм – 12,5; порошок серого чугуна СЧ15 дисперсности D_сч = 200 мкм – 7,5; измельчённый дийодид хрома с размером частиц 150 – 200 мкм – 2,5; древесная мука с размером частиц D_м = (250 – 300) мкм – 9; измельчённая и увлажнённая до 20% глина – 23,5. В качестве абразива при изготовлении шлифовальных кругов размером DхHхd = 400х40х127 использовался электрокорунд нормальный 14А зернистости 25. На круглошлифовальном станке мод. 3М151 обрабатывались цилиндрические валики диаметром 24 мм и длиной 320 мм из сталей 12Х2Н4А, 20ХН2МА, 30ХГСА и сплавов ХН62МВКЮ, ХН77ТЮР с использованием в качестве смазочно-охлаждающей жидкости 5-процентного водного раствора эмульсола «Укринол-1». Режимы шлифования для каждой марки стали или сплава устанавливались согласно рекомендациям, приведённым в справочниках (см. «Справочник технолога-машиностроителя» / Под. ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, А.Г. Суслова. В 2-х томах. – М.:Машиностроение, 2001). Сравнение эффективности известной по принятому прототипу (см. патент RU № 2574183, МПК В24D 3/28. Бюлл. №4, 2016) и предлагаемой массы для изготовления абразивных инструментов осуществлялось по показателям качества обработанной поверхности (Ra, H, S), периоду стойкости шлифовального круга между двумя последовательными переточками T и производительности обработки, определяемой основным временем шлифования: где L – длина обрабатываемой поверхности валика с учётом врезания и перебега круга, мм; t – величина припуска, снимаемого в процессе шлифования, мм; S_пр – продольная подача круга, мм/об.; n_д – частота вращения обрабатываемого валика, об/мин; S_вр – подача врезания круга, мм/дв.ход. При проведении сравнительных исследований припуск на обработку был принят равным t = 0,1 мм.; шлифование производилось без выхаживания. Результаты сравнительных испытаний шлифовальных кругов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты эксплуатационных испытаний шлифовальных кругов, изготовленных из абразивной массы по прототипу (см. патент RU № 2574183, МПК В24D 3/28. Бюлл. №4, 2016), и предлагаемого состава

Обраба-тываемый материал Состав абразивной массы по патент RU № 2574183, Предлагаемый состав абразивной массы Ra, мкм H, мм S, % Т, мин. То, мин. Ra, мкм H, мм S, % Т, мин. То, мин. Сталь 12Х2Н4А 1,19 0,31 9 120 42 1,17 0,29 8 240 28 Сталь 20ХН2МА 1,16 0,32 10 120 54 1,16 0,31 9 240 28 Сталь 30ХГСА 1,14 0,30 10 120 42 1,12 0,28 8 270 24 Сплав ХН62МВКЮ 1,22 0,34 11 45 54 1,19 0,30 9 210 32 Сплав ХН77ЮР 1,24 0,35 13 45 54 1,20 0,31 11 210 32

Анализ данных, приведённых в таблице 2, свидетельствует о том, что использование предлагаемой массы для изготовления абразивного инструмента позволяет в 2 – 5 раз повысить стойкость шлифовальных кругов между правками и в 1,5 – 1,9 раза увеличить производительность обработки, обеспечивая уменьшение шероховатости поверхности по параметру Rа, толщины поверхностного слоя с изменёнными физико-механическими свойствами H и относительной площади прижогов обработанной поверхности S на 3 – 20%, что расширяет область использования абразивных инструментов при обработке вязких труднообрабатываемых материалов.

Таблица 1

Определение оптимального состава массы для изготовления

абразивного инструмента, масс. %

Компоненты абразивного инструмента (круга) Показатели качества поверхностного слоя детали Составы Абразив Высокопрочный ферритный чугун Порошок серого чугуна Дийодид хрома Древес-ная мука Глина Полиэтиленполиамин Древесная зола Эпоксидная смола Ra, мкм H, мм S, % 1 35 16 11 2,5 15 26 - - - 1,45 0,52 15 2 40 15 10 3 10 22 - - - 1,32 0,38 10 3 45 12,5 7,5 2,5 9 23,5 - - - 1,17 0,29 8 4 50 10 5 2 8 25 - - - 1,22 0,33 12 5 55 9 4 1,5 7 23,5 - - - 1,37 0,45 19 П.2574183 45 17,5 - 2,5 - - 4 6 25 1,19 0,31 9