Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале
А сalculation-experimental methods for evaluation of active abrasive grain number with statistically uniform distribution in composition material was developed. The method was used to study the change of active grains concentration of natural and synthetical diamond grinding powders with various di...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135084 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале / М.Н. Сафонова, А.С. Сыромятникова, Е.Ю. Шиц // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 252-258. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-135084 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1350842018-06-15T03:08:35Z Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале Сафонова, М.Н. Сыромятникова, А.С. Шиц, Е.Ю. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов А сalculation-experimental methods for evaluation of active abrasive grain number with statistically uniform distribution in composition material was developed. The method was used to study the change of active grains concentration of natural and synthetical diamond grinding powders with various dispersions in PTFE-based composite under friction and wear. 2007 Article Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале / М.Н. Сафонова, А.С. Сыромятникова, Е.Ю. Шиц // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 252-258. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 2223-3938 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135084 621.891 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| spellingShingle |
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Сафонова, М.Н. Сыромятникова, А.С. Шиц, Е.Ю. Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description |
А сalculation-experimental methods for evaluation of active abrasive grain number with
statistically uniform distribution in composition material was developed. The method was used to study the change of active grains concentration of natural and synthetical diamond grinding powders with various dispersions in PTFE-based composite under friction and wear. |
| format |
Article |
| author |
Сафонова, М.Н. Сыромятникова, А.С. Шиц, Е.Ю. |
| author_facet |
Сафонова, М.Н. Сыромятникова, А.С. Шиц, Е.Ю. |
| author_sort |
Сафонова, М.Н. |
| title |
Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале |
| title_short |
Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале |
| title_full |
Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале |
| title_fullStr |
Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале |
| title_full_unstemmed |
Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале |
| title_sort |
расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135084 |
| citation_txt |
Расчетно-экспериментальный метод определения количества активных зерен в абразивном композиционном материале / М.Н. Сафонова, А.С. Сыромятникова, Е.Ю. Шиц // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 252-258. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| work_keys_str_mv |
AT safonovamn rasčetnoéksperimentalʹnyjmetodopredeleniâkoličestvaaktivnyhzerenvabrazivnomkompozicionnommateriale AT syromâtnikovaas rasčetnoéksperimentalʹnyjmetodopredeleniâkoličestvaaktivnyhzerenvabrazivnomkompozicionnommateriale AT šiceû rasčetnoéksperimentalʹnyjmetodopredeleniâkoličestvaaktivnyhzerenvabrazivnomkompozicionnommateriale |
| first_indexed |
2025-07-09T22:40:26Z |
| last_indexed |
2025-07-09T22:40:26Z |
| _version_ |
1837210879560515584 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
252
УДК 621.891
М. Н. Сафонова, ст. преп.1; А. С. Сыромятникова, канд. физ.-мат. наук2;
Е.Ю. Шиц, канд. техн. наук3
1 Якутский госуниверситет им. М. К. Амосова, г. Якутск, Россия
2 Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, г. Якутск, Россия
3 Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск, Россия
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА
АКТИВНЫХ ЗЕРЕН В АБРАЗИВНОМ КОМПОЗИЦИОННОМ МАТЕРИАЛЕ
А сalculation-experimental methods for evaluation of active abrasive grain number with
statistically uniform distribution in composition material was developed. The method was used to
study the change of active grains concentration of natural and synthetical diamond grinding powd-
ers with various dispersions in PTFE-based composite under friction and wear.
Введение
Работоспособность абразивных инструментов определяется их износостойкостью,
эффективностью работы, качеством обработанной поверхности и характеризуется такими
основными эксплуатационными параметрами, как удельный расход абразива, производи-
тельность и шероховатость обработанной поверхности [1]. Производительность шлифования
и качество обработки существенно зависят от стабильности режущих свойств инструмента,
т.е. стабильности количества активных АЗ в процессе его эксплуатации. Поэтому при разра-
ботке композиционных материалов абразивного назначения особенно важным является оп-
ределение изменения количества активных АЗ при трении и изнашивании.
Разработанные ранее методы расчета дают возможность вычислять исходную объем-
ную концентрацию АЗ в связке, однако не позволяют определить ее изменение в процессе
работы инструмента [2–4].
Целью работы является разработка и реализация расчетно-экспериментального мето-
да, основанного на данных микроскопического анализа приповерхностного слоя композици-
онного материала для определения количества активных АЗ.
Основы метода
При разработке метода исходили из предположений, что абразивные зерна – совокуп-
ность частиц произвольной формы и различной дисперсности, распределенные в объеме ма-
териала статистически равномерно со случайной пространственной ориентацией.
При таких предположениях необходимыми этапами реализации метода являются:
Этап 1. Выбор геометрической модели АЗ.
Этап 2. Расчет количества активных АЗ в композиционном материале.
Этап 3. Проверка достоверности результатов.
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
253
Объекты исследования
В качестве абразивного материала использовались шлифпорошки из технических
синтетических и природных алмазов (по три разновидности) различных зернистостей.
Шлифпорошки изначально принимались за «безымянные» (марка, зернистость, стандарт, по
которому велась их классификация, считались неизвестными), и им присваивались буквенно-
цифровые обозначения: С или П (шлифпорошки из синтетических/природных алмазов),
цифры I, II, III (номера в порядке возрастания зернистости). В качестве основы композици-
онного материала был выбран ПТФЭ – полимер, который обладает необходимыми свойст-
вами, предъявляемыми к связке алмазно-абразивного инструмента [5]. Образцы для испыта-
ний изготавливались из композиций c 40 % (по массе) содержанием алмазного порошка по
технологии холодного прессования при давлении 50 МПа с последующим свободным спека-
нием при температуре 375 ± 5 °С. Трение и изнашивание осуществлялось в течение 300 с на
машине трения СМЦ-2 по схеме «диск по диску» при нагрузке 50 Н и относительной скоро-
сти скольжения 1–3 м/c .
Разработка и реализация метода
Алгоритм метода определения содержания АЗ в композиционном материале приведен
на рис. 1.
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
254
Рис. 1. Блок-схема метода.
Этап 1. Выбор геометрической модели АЗ
В качестве модели зерна шлифпорошков из технических синтетических алмазов раз-
ными авторами принимались правильные многогранники и тела вращения [6, 7]. Геометри-
ческое моделирование зерен шлифпорошков из природных алмазов ранее не проводилось.
На рис. 2. приведены РЭМ-фотографии зерен исследованных алмазных шлифпорош-
ков. Видно, что алмазные зерна являются совокупностью осколочных частиц неправильной
формы, произвольное сечение которых в подавляющем большинстве случаев можно считать
четырех- или пятиугольниками, как и в других несферических порошках [6].
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
255
а б
Рис. 2. Зерна шлифопорошков из синтетических (а) и природных алмазов (б) зерни-
стости 80/63.
В качестве геометрической модели зерна абразивного наполнителя выбирался такой
вариант модели, при котором параметр D, характеризующий величину отклонения объема
реального зерна Vr от объема его модельного аналога Vm, принимает минимальное значение:
D =│1 – [∑
=
P
i 1
(Vmi /Vri )2]1/2/P│,
где i, P – порядковый номер и количество исследованных зерен соответственно.
Совокупность линейных измерений, необходимых для вычисления Vr и Vm, определя-
ется формой АЗ. Для вычисления Vr и Vm проводится измерение высоты зерен и линейных
измерений на плоскости сечения; совокупность последних определяется формой АЗ или вы-
бранной геометрической модели АЗ соответственно. Если форму АЗ невозможно характери-
зовать одной геометрической фигурой, то проводится разбивка зерна на сегменты. Всего бы-
ло изучено по 250–300 зерен каждой разновидности исследованных алмазных шлифпорош-
ков. Значения D для различных геометрических моделей зерен приведены в табл. 1.
Таблица 1. Значения критериального параметра D для различных геометрических мо-
делей зерен
Геометрическая
модель зерна
Шлифпорошки
СI СII СIII ПI ПII ПIII
D
Прямоугольный
парал
лелепипед
0, 3 0, 3 0, 3 0, 3 0, 3 0, 3
Эллипсоид 0, 2 0, 2 0, 3 0, 2 0, 2 0, 3
Сфероид 0, 1 0, 2 0, 2 0, 2 0, 2 0, 3
Куб 0, 1 0, 2 0, 2 0, 1 0, 1 0, 2
Октаэдр 0, 1 0, 2 0, 2 0, 2 0, 2 0, 3
В соответствии с выбранным критерием (1) в качестве геометрической модели зерен
для всех исследованных шлифпорошков был принят куб.
Этап 2
Расчет количества активных АЗ в композиционном материале проводился с примене-
нием метода количественной металлографии, основанного на изучении размерного распре-
(1)
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
256
деления микрочастиц в объеме материала по исследованию распределения площадей их
случайных сечений Fi [8, 9]. Совокупность линейных измерений, необходимых для вычисле-
ния Fi, определяется видом случайного сечения.
Вычисление количества частиц k-й размерной группы Nk проводилось по формуле,
полученной с использованием вероятностного распределения Fi для кубических частиц [10]:
Nk = 1/ Hk (2,433 nk – 0,971 nk-1 – 0,270 nk-2 – 0,097 nk-3 – 0,044 nk-4 – 0,029 nk-5 – 0,019 nk-6
– 0,012 nk-7 – 0,007 nk-8 – 0,007 nk-9) (2)
где Hk = 1,5 h – так называемая средняя высота куба, если h – ребро куба (h определялась
как полусумма сторон прямоугольника, описанного вокруг проекции случайного сечения
зерна).
Количество активных АЗ в композиционном материале, равное ∑
=
K
k 1
Nk (K – количест-
во размерных групп), вычислялось на основании измерений площадей случайных сечений
100–150 зерен. Концентрации активных АЗ в материале в исходном состоянии n0 и после
испытания на трение и изнашивание nэ приведены в табл. 2. Относительное изменение коли-
чества АЗ в связке при трении и изнашивании С = (n0 –nэ / n0)×100 % характеризует стабиль-
ность количества активных АЗ в связке.
Этап 3
Проверка достоверности результатов проводилась путем сравнения n0 и значения
концентрации АЗ в исходном состоянии, определенной, исходя из показателей зернового
состава шлифпорошка nисх. Определение зернистости и показателей зернового состава
шлифпорошков проводилась с применением так называемого компьютерного диагностиче-
ского сита (КДС) – косвенной диагностики шлифпорошков, основанной на данных микро-
скопического анализа [11]. Основу КДС составляет математическая модель ситового раз-
мерного разделения, которая представляет собой зависимость между параметрами аналога
ячейки сита и размерными характеристиками зерна, полученную из условия предельного
прохождения модели зерна через принятый аналог ячейки сита в виде квадрата с длиной
стороны d.
Зернистость исследованных шлифпорошков приведена в табл. 2.
Таблица 2. Концентрации АЗ и зернистость шлифпорошков
Концентрация
АЗ (мм-3) и зер-
нистость
Шлифпорошки
ПI СI ПII СII ПIII СIII
n0 2400±240 3200±3
20 700±70 870±87 115±12 130±13
nэ 1800±180 2400±2
40 700±70 950±100 60±6 115±12
nисх 2700±270 3200±3
20 670±67 900±90 120±12 140±14
С, % 25±2,5 30±3 0 0 50±5 10±1
Зернистость, мкм 63/50 80/63 100/80 125/100
Значение nисх вычислялось по формуле:
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
257
nисх= vотн ∑
=
J
j 1
∑
=
P
i 1
Nij / ∑
=
JP
ji
,
1,
(Ni,jVj) ,
где j, J – порядковый номер и количество фракций в зерновом составе алмазного шлифпо-
рошка;
vотн – относительное объемное содержание зерен алмаза в композиционном материале
(при 40 % (по массе) алмаза vотн = 40ρc/(60ρa +40ρc), ρc, ρa – плотности ПТФЭ и алмаза);
Vj = dj
3 (dj – длина стороны ячейки сита, в которую проходит зерно).
Обсуждение результатов
Результаты проведенных исследований показали, что при испытаниях образцов на
трение изменения концентрации активных зерен шлифпорошков из синтетических и при-
родных алмазов зернистости 80/63 не происходит; остальные исследованные шлифпорошки
отличаются меньшей стабильностью количества активных АЗ в связке (табл. 2).
РЭМ-фотографии поверхностей трения исследованных композиционных материалов
приведены на рис. 3.
а б в
Рис. 3. Поверхности трения композиционных материалов ПТФЭ – шлифпорошки из
природных алмазов: а) 63/50; б) 80/63; в) 100/80.
При трении зерна мелкодисперсных шлифпорошков имеют тенденцию погружаться в
материал связующего (рис. 3, а), в результате чего происходит процесс зашлифовки алмаз-
ных зерен, который наиболее выражен для зерен синтетических алмазов вследствие гладкой
поверхности их граней, чем и объясняется наблюдаемое уменьшение их концентрации на
поверхности инструмента.
Понижение концентрации АЗ крупнодисперсных шлифпорошков из природных алма-
зов объясняется их выкрашиванием при трении (рис. 3, в), в том числе в результате хрупкого
скалывания. С увеличением размеров зерен этот процесс становится более выраженным:
усилия, приходящиеся на каждое зерно, возрастают, а отношение площади поверхности зер-
на к его объему, определяющее величину удельных физико-механических сил, которые
обеспечивают прочность удержания частиц в связке, уменьшается.
Поверхность трения композиционных материалов, содержащих шлифпорошки зерни-
стости 80/63, характеризуется насыщенностью АЗ с равномерным распределением целых и
сколотых зерен (рис. 3, б). Проведенными ранее исследованиями было установлено, что вве-
дение алмазных шлифпорошков в ПТФЭ не вносит существенных изменений в надмолеку-
лярную структуру полимера [12]. Прочность удержания алмазных зерен в полимерной связке
определяется, в основном, степенью уплотнения композиционного материала и величиной
отношения площади поверхности зерна к его объему, определяющейся размерами, формой и
шероховатостью поверхности АЗ. Таким образом, более высокую прочность удержания ал-
мазных зерен шлифпорошков зернистости 80/63 можно объяснить однородностью структуры
композиционного материала, достигаемой в процессе его изготовления: размеры частиц по-
(3)
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
258
рошка ПТФЭ и алмазных зерен близки по размерам (около 80 мкм). Из исследованных ма-
териалов эти композиции обладают максимальными значениями плотности, твердости и из-
носостойкости (низким удельным расходом алмаза), а стабильность концентрации АЗ в них
обеспечивает эффективность (высокую производительность и качество обработанной по-
верхности) и стабильность (низкий коэффициент вариации удельного расхода алмазов) рабо-
ты опытных инструментов [5]. Перечень опытных образцов алмазного инструмента, изго-
товленного на основе ПТФЭ, приведен в работе [5, 13].
Выводы
Разработанный метод может найти применение при оценке изменения концентрации
дисперсных наполнителей произвольной формы со статистически равномерным распределе-
нием в объеме композиционного материала инструментального, триботехнического и конст-
рукционного назначения (поверхности и покрытия).
Литература
1. Бакуль В. Н. Работоспособность алмазных кругов на органической связке отечественного
и зарубежного производства. – Киев, 1969. – 25 с.
2. Верещагин В. А. Определение количества зерен, приходящихся на единицу поверхности /
Верещагин В. А., Журавлев В. В. Композиционные алмазосодержащие материалы и по-
крытия. Минск: Навука i тэхнiка, 1991. – 208 с.
3. Щиголев А. Г., Полупан И. Н., Коломиец В. В. Определение количества зерен по глубине
рабочего поверхностного слоя алмазного инструмента // Синт. алмазы . – 1979. – № 3. –
С. 19–25.
4. Землянский Е. С. Работоспособность алмазных кругов при различных видах шлифования
// Сверхтв. материалы. – 1981. – № 6. – С. 24–28.
5. Шиц Е. Ю. Исследование и разработка полимерных композиционных материалов с ис-
пользованием природных алмазных порошков. Дис. …канд. техн. наук: – 05.02.01 / Е. Ю.
Шиц; ОИФТПС СО РАН. – Якутск, 2000. – 180 с.
6. Лаврененко В. И., Шепелев А. А., Петасюк Г. А. Модели формы зерен СТМ // Сверхтв.
материалы. – 1994. – № 5–6. – С. 18–21.
7. Цымбалист М. М., Руденская Н. А., Кузьмин Б. П., Паньков В. А. Учет фактора формы
при ситовом анализе несферических порошков// Физика и химия обработки материалов. –
2003. – № 6. – С. 61–63.
8. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. – М.: Металлургия, 1970. – 376 с.
9. Приборы и методы физического металловедения/ Под ред. Ф. Вейенберга. – М:. Мир,
1973. – 375 с
10. Hull F. C., Houk W. J. // Trans. AIME. –1953. – 197. – P. 565.
11. Новиков Н. В., Никитин Ю. И., Петасюк Г. А. Компьютерное диагностическое сито для
идентификации зернистости и зернового состава микроскопических проб алмазных
шлифпорошков // Сверхтв. материалы. – 2003. – № 3. – C. 71–83.
12. Сыромятникова А. С, Сафонова М. Н., Шиц Е. Ю. Методика оценки работоспособности
алмазных инструментовс/ Тр. I Евразийского симпозиума по проблемам прочности мате-
риалов и машин для регионов холодного климата. Ч.5. – Якутск, 2002. – С. 76–80.
13. Шиц Е. Ю., Соколова М. Д., Семенова Е. С. Особенности технологии производства абра-
зивного инструмента на основе политетрафторэтилена // Материа-
лы·Технологии·Инструменты. – 2006. – № 1. – С. 97–100.
Поступила 30.05.07.
|