Исследование физико-механических свойств абразивных кругов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование физико-механических свойств абразивных кругов

Маринов Н.А.,

Романенко А.М.

ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт»

В процессе производства сельскохозяйственных машин, орудий и другого оборудования, применяемого в сельском хозяйстве (например, тракторы, автомобили, кормораздатчики и т. д.), а также в процессе ремонта и восстановления деталей и узлов этих машин и оборудования широко применяется шлифование абразивными кругами. Одним из наиболее перспективных направлений повышения производительности обработки шлифованием является увеличение скорости резания до 80 м/с и выше. Обычно же для большинства шлифовальных операций в производстве скорость резания находится в пределах 30-50 м/с. В ряде случаев с увеличением скорости резания производительность обработки возрастает в 2-3 раза, при условии сохранения требуемых параметров точности и качества обработки. Такое повышение производительности обработки объясняется изменением условий протекания процесса резания: увеличивается число зерен, участвующих в резании в единицу времени; изменяется характер стружкообразования.

Реализация преимуществ высокопроизводительных методов шлифования возможна лишь при использовании шлифовальных кругов, обладающих необходимыми физико-механическими свойствами и обеспечивающими за счет этого эффективную обработку деталей: уменьшение износа и увеличение стойкости круга, обеспечение заданной точности и качества обработки и др.

Для описания механических свойств шлифовальных кругов в данном исследовании приняты следующие характеристики: предел прочности при одноосном растяжении, сжатии, изгибе, ударная вязкость и твердость.

Необходимо при этом отметить два явления, отличающие прочность хрупкой керамики от прочности пластичных материалов. Во-первых, хрупкая прочность - характеристика статическая. Ее значение уменьшается с увеличением объема образца, находящегося под действием растягивающих или сдвиговых напряжений, что связано с большой вероятностью присутствия "опасного" дефекта. Во-вторых, экспериментально измеряемая прочность хрупких тел в значительно большей степени зависит от неконтролируемых параметров проведения испытания, чем для пластичных материалов. Например, незначительные отклонения от соосности при нагружении образца могут вызвать значительные изменения прочности, вследствие чувствительности материала к моментам сил, релаксация которых в упругой области затруднена. шлифовальный круг прочность

Общая методика проведения исследования.

В качестве наполнителей использовались:

Электрокорундовые микросферы.

Стеклянные микросферы.

Фруктовые косточки.

В табл. 1. представлены основные характеристики наполнителей.

Таблица 1 - Основные характеристики наполнителей.

Как видно из таблицы 1, электрокорундовые микросферы представляют собой невыгорающий полый наполнитель, стеклянный наполнитель - плавящийся, а фруктовые косточки - выгорающий наполнитель.

Соотношение составляющих компонентов формовочных масс определено, исходя из рекомендаций [1], и обеспечивает изготовление инструмента 10-12 структуры твердостью М3-СМ2.

Диапазоны варьирования составляющих компонентов рецептуры кругов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Диапазоны варьирования составляющих компонентов круга.

Формы и размеры образцов, порядок проведения испытаний определены согласно ГОСТ 473.7-81 и ГОСТ 4647-79

Для испытаний на одноосные растяжения, сжатие и изгиб использовалась разрывная машина типа "ZD 10/90" с максимальным усилием 10 тонн. Испытания по определению ударной вязкости проводились на машине типа КМ-0,5Т,

При определении предела прочности на разрыв, сжатие, изгиб определен следующий порядок проведения испытаний:

Устанавливается (либо зажимается) образец, предварительно он визуально проверяется на наличие трещин, вмятин, сколов.

Испытание проводится при непрерывно возрастающей нагрузке со скоростью 5 мм/мин при определении предела прочности на растяжение и сжатие, 50 мм/мин на изгиб, до момента разрушения образца. Фиксируется усилие разрушения Р.

У образца после разрушения замеряется площадь поперечного сечения при помощи штангенциркуля с погрешностью не более 0,1 мм.

При испытании образцов на ударную вязкость разрушение образца осуществлялось посредством удара молота по середине образца с энергией в 1 Дж, с последующей фиксацией по шкале прибора, затраченной на разрушение работы .

Предел прочности материала при растяжении вычисляется по формуле

где F - площадь поперечного сечения.

Предел прочности при изгибе

где l - расстояние между опорами в мм,

b - ширина образца в мм,

h - толщина образца в мм.

Предел прочности при сжатии ()

где d и h - диаметр и высота образца соответственно в мы.

Ударная вязкость

где b и h - ширина и толщина образца в мм.

Оценка выделяющихся опытных данных осуществлялась с помощью критерия Груббса следующим образом.

Рассчитывается среднее арифметическое значение

где n - общее число наблюдений.

Определяется среднеквадратичное отклонение ( CKО )

Составляется безразмерная дробь

где Xmax - наибольшее значение опытных данных.

В зависимости от числа испытаний и доверительной вероятности находим значение .

Если ,то Xmax следует отбросить как опыт совершающий грубую ошибку.

Аналогично для оценки наименьшего значения опыта подсчитываем

Если , то xmin следует отбросить.

На основании полученных результатов для каждого вида испытания, рассчитывается среднее арифметическое испытаний ,

среднеквадратичное отклонение

Анализ полученных данных проводился с помощью специальной программы многофакторного регрессионного анализа, реализованной на ЭВМ.

Исследовалась форма связи между поверхностью отклика и компонентами рецептуры круга в виде

Коэффициенты регрессии, согласно данной программе, рассчитывались по методу наименьших квадратов. Проверка коэффициентов регрессии на значимость осуществлялась с помощью t -критерия Стьюдента, представляющего собой отношение абсолютной величины оцениваемого коэффициента к его дисперсии. Дисперсия, характеризующая ошибку в определении коэффициентов регрессии, определялась по формуле:

где - дисперсия воспроизводимости параметра оптимизации,

N - количество опытов.

Доверительный интервал для коэффициентов регрессии определялся по формуле

где t - табличное значение критерия Стьюдента.

Гипотеза об адекватности полученных математических моделей проверялась по F - критерию Фишера и принималась на уровне значимости , а наличие связи между исследуемыми факторами оценивалась по коэффициенту множественной корреляции.

Как уже отмечалось выше, прочность круга определяется прочностью материалов зерен, связки, прочностью их соединения, структурой, а также внутренними дефектами и напряжениями, возникающими в процессе формования и обжига круга.

В отличие от вязких материалов, абразивный материал имеет прочность на растяжение в шесть-восемь раз меньшую, чем на изгиб. Так как согласно работам разрушение круга в процессе работы происходит под действием центробежных сил, а именно под действием тангенциальных растягивающих напряжений, то наибольший интерес представляет значение предела прочности на растяжение. Однако результаты определения механических свойств при растяжении характеризуются наибольшим разбросом результатов. Поэтому довольно часто испытания на прочность при растяжении заменяются определением прочности на изгиб, при котором разброс значений результатов значительно меньше. Метод трехточечного изгиба имеет максимальную воспроизводимость результатов. Более высокие значения предела прочности при изгибе, по сравнению с пределом прочности на растяжение можно объяснить тем, что в первом случае область действия максимальных растягивающих напряжений распространяется лишь на небольшой приповерхностный слой материала, а прочность хрупких тел, как известно, имеет статическую природу. Наряду с определением предела прочности путем растяжения образца, что требует изготовления образцов сложной формы, использование специальных захватов, возможно предел прочности определить, используя метод диаметрального сжатия. Сущность данного метода заключается в том, что под действием сжимающей нагрузки в образце возникают растягивающие напряжения в плоскостях перпендикулярных к направлению действия нагрузки. Этот метод характеризуется более высокой воспроизводимостью результатов, чем метод осевого растяжения. Экспериментально было установлено соотношение между значениями прочности при осевом растяжении и диаметральном сжатии [2].

Метод определения ударной вязкости отличается высокой чувствительностью. Для доказательства этого достаточно отметить, что величина ударной вязкости изменяется даже при незначительном (десятые доли процента) отклонении в составе композиционного материала. На основании полученных экспериментальных данных были построены обобщенные статистические модели зависимости пределов прочности при растяжении, сжатии, изгибе и ударной вязкости от компонентов рецептуры круга. Для определения уровня стабильности физико-механических свойств были построены модели, характеризующие зависимость между среднеквадратичными отклонениями результатов и составляющими компонентами рецептуры круга. На основании полученных моделей был рассчитан коэффициент вариации

.

Полученные зависимости имеют вид полиномов первого порядка. Параметры статистических моделей представлены в табл. 3.,5., 7., 9., статистические характеристики адекватности моделей в табл. 4., 6., 8., 10.

На основании данных табл. 4., 6., 8., 10, можно сделать вывод о связи включенных в модели факторов с физико-механическими свойствами абразивного черепка и об адекватности разработанных моделей. На основании полученных моделей были построены зависимости физико-механических свойств их среднеквадратичных отклонений, коэффициента вариации от составляющих компонентов рецептуры круга.

Из анализа коэффициентов парной корреляции моделей прочности видно, что наименьшее влияние на прочность оказывает содержание зерна в круге. Причем наименьшее влияние данный параметр оказывает на прочность при изгибе, очевидно, это можно объяснить характером разрушения при изгибе. Степень влияния содержания зерна на прочность при растяжении и сжатии примерно одинакова. Характер влияния на прочность наполнителей примерно одинаков. Максимальные значения коэффициентов парной корреляции у параметров, показывающих объемное содержание стеклянных микросфер и фруктовых косточек, влияние содержания электрокорундовых микросфер несколько меньше. Связка оказывает наиболее сильное влияние на прочность при сжатии. А на прочность при изгибе степень влияния связки минимально.

Некоторое разупрочнение абразивного черепка с увеличением процентного содержания зерна можно объяснить тем, что с увеличением количества зерна снижается однородность абразивного черепка, ослабляются мостики связки, увеличивается общее количество пор, а, следовательно, увеличивается число концентраторов напряжений.

Таблица 3 - Параметры статических моделей прочности на растяжение и её СКО

Таблица 4 - Результаты статического анализа регрессионных моделей прочности на растяжение и её СКО

Таблица 5 - Параметры статических моделей прочности на сжатие и её СКО

Таблица 6 - Результаты статического анализа регрессионных моделей прочности на сжатие и её СКО

Таблица 7 - Параметры статических моделей прочности на изгиб

Таблица 8 - Результаты статического анализа регрессионных моделей прочности на изгиб

Таблица 9 - Параметры статической модели ударной вязкости

Таблица 10 - Результаты статического анализа регрессионной модели ударной вязкости

Введение в тело круга электрокорундовых микросфер обеспечивает более высокую однородность закрепления зерен за счет увеличения количества перемычек, удерживающих зерна, некоторое снижение открытой пористости, а, следовательно, и снижение уровня концентрации напряжений. Все это способствует повышению прочностных свойств абразивного инструмента. Стеклянные микросферы оказывают двухуровневый эффект на повышение прочностных свойств. Во-первых, в процессе изготовления абразивной массы. Они способствуют более равномерному процессу смешивания, а в процессе обжига, расплавляясь, служат дополнительным связующим элементом. Введение в качестве наполнителя фруктовых косточек приводит к увеличению размера пор, что, как известно, способствует снижению прочностных свойств круга. С увеличением процентного содержания связки прочность возрастает за счет снижения пористости инструмента, увеличения размеров мостиков связки. Однако, необходимо отметить, что при количестве связки более 14% объема, прочность инструмента снижается. Это объясняется тем, как уже отмечалось выше, что с увеличением размеров мостиков связки возрастает вероятность появления дефектов в них.

Характер влияния компонентов рецептуры круга на ударную вязкость, аналогичен их влиянию на прочность шлифовального круга.

Анализ коэффициентов парной корреляции СКО прочности на растяжение и сжатие показывает, что характер и степень влияния составляющих компонентов в принципе одинаков. Наиболее слабое влияние на СКО оказывает содержание зерна, это можно объяснить тем, что, несмотря на большой разброс физико-механических свойств, прочность зерна в любом случае выше прочности связки. Наиболее же сильное влияние оказывают связка и фруктовые косточки. Сильное влияние связки на среднеквадратичное отклонение объясняется нестабильностью физико-механических свойств самой связки, фруктовые косточки, как уже отмечалось выше, обеспечивают создание крупных пор, которые ослабляют тело абразивного черепка, создают дополнительные участки концентраторов напряжений, приводят к неравномерности распределения.

Введение электрокорундовых и стеклянных микросфер, как уже отмечалось выше, способствует повышению степени однородности строения абразивного черепка, увеличению количества перемычек, а, следовательно, уровня напряжений в круге. Все это способствует повышению стабильности физико-механических свойств а следовательно снижению СКО прочности круга.

Степень влияния на прочность и ударную вязкость составляющих рецептуры круга примерно одинакова. Наиболее слабое влияние оказывает процентное содержание зерна (коэффициент парной корреляции для зерна 0,293, для других компонентов его значение колеблется в диапазоне 0,5-0,6).

Микросферы, как электрокорундовые, так и стеклянные, оказывают упрочняющее действие, причем влияние стеклянных микросфер намного ощутимее.

Фруктовые косточки разупрочняют абразивный черепок.

Стеклянные и электрокорундовые микросферы оказывают стабилизирующее действие на разброс значений прочности и ударной вязкости, величина CКО которых уменьшается в среднем в 1,5 раза.

Увеличение содержания зерна, связки, Фруктовых косточек увеличивает величину CKО прочности.

Список использованной литературы

1. Ипполитов Г.М. Абразивно-алмазная обработка. - М. : Машиностроение, 1969. - С.334.

2. Костецкий Б.И. О физической сущности процесса шлифования закаленной стали / Б.И. Костецкий, О.Н. Кучерявый // Высокопроизводительное шлифование. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С.53.

3. Миpоседи А. И. Повышение эффективности процесса абразивной обработки путем управления стpуктуpными паpаметpами абразивного инструмента / А. И. Миpоседи, В. М. Шумячеp // Технология машиностроения. - 2007. - №1. - С. 28-29.

4. Старков В.К. Шлифование высокопористыми кругами. - М.: Машиностроение, 2007. - 688с.

Размещено на Allbest.ru