Расчет рецептуры абразивного инструмента на бакелитовой связке

Для расчета рецептуры абразивного инструмента на бакелитовой связке используется несколько методик.

Автор (3351 разработал методику, которая основывается на эмпирическом уравнении, определяющем зависимость степени твердости инструмента от параметров его структуры:

где а, Ь— постоянные коэффициенты; И — среднее значение глубины лунки пескоструйного прибора, мм; У_с, У_г У_п — объемы связки, зерна и пор соответственно, %.

Коэффициент а показывает значение твердости инструмента при нулевой пористости (второй член уравнения в этом случае становится равным нулю). Значения коэффициента а для инструмента различных характеристик лежат в пределах 0,5—1,1 мм. Учитывая относительно небольшие колебания величины а, ее значения принимают постоянными и равными единице.

Коэффициент Ь — коэффициент пропорциональности для инструмента разной зернистости.

Выражение У_П/У₃У_С показывает удельное содержание пор в единице объема связующего, приходящегося на единицу объема абразивного материала.

При использовании уравнения (6.1) расчет рецептуры складывается из следующих операций: выбор объемного содержания зерна в инструменте (выбор структуры); расчет необходимого объема связки на основании заданной степени твердости и зернистости; определение количества увлажнителя (жидкого бакелита), наполнителя и пульвербакелитового связующего; расчет объемного веса инструмента; корректировка рассчитанной рецептуры.

Объемное содержание зерна в инструменте выбирается с учетом требуемых эксплуатационных свойств и мощности имеющегося прессового оборудования, в табл. 6.6 приведены рекомендуемые пределы объема зерна для удельных давлений прессования 50−400 кг/см² (5−40 МПа).

Количество зерна Р_г в весовых частях определяется путем умножения объема зерна У,_л на его плотность (г/см³).

Таблица 6. 6.

Рекомендуемые пределы объема зерна для удельных давлений прессования 50—400 кг/см² (5−40 МПа)

Необходимый объем связки рассчитывается на основании формулы (6.1) и результатов эмпирического определения коэффициента Ь для инструментов разных зернистостей:

где N — номер зернистости.

Количество жидкого бакелита в весовых частях определяется по формуле.

где Т — степень твердости инструмента в числовом выражении: МЗ-6; СМ1 — 7; СМ2—8; С1−9; С2−10; СИ—11; СТ2−12; СТЗ-13 и СТ1−14.

Экспериментами установлено, что наибольшую прочность обеспечивает связка, содержащая 10 об. % наполнителя. Количество наполнителя Р_н в весовых частях определяется умножением объема наполнителя, равного 0,1 У_с, на его плотность (г/см³).

Количество пульвербакелитового связующего вычисляется в весовых частях по формуле

Расчетный объемный вес инструмента у_р определяется по зависимости.

где У" ^и У_с — плотности абразивного материала и связки соответственно, г/см³.

При использовании в качестве наполнителя криолита в количестве 10% от объема связки плотность последней составляет 1,416 г/см³.

Значения Р₃, Р_ж, Р_н, Р_п и у_р пересчитываются, если это необходимо, в расчете на 100 вес. ч. абразивного зерна, а при применении объемной дозировки зерна — на соответствующий объем мерника.

Из-за существующих на заводах-изготовителях различий в условиях приготовления смесей, режимах термообработки, качестве сырья и т. д. необходимо рассчитанную рецептуру опробовать на образцах и откорректировать в случае отклонения фактической твердости инструмента от заданной. Корректируется только значение объемного веса инструмента путем умножения его на коэффициент К_к. Значение поправочного коэффициента К_к с достаточной точностью можно определить по формуле.

где ДА — отклонение фактической глубины лунки пескоструйного прибора от заданной, %.

Окончательное значение объемного веса изделия определяется по формуле.

Приведенная методика расчета рецептур может быть использована при разработке новых систем рецептов и контроля стабильности технологического процесса и исходного сырья.

Автор [336) провел экспериментальные исследования зависимости твердости абразивного инструмента от объемного содержания зерна и связки. Эта зависимость аппроксимирована математическим уравнением, при помощи которого составлена структурная карта (табл. 6.7).

Таблица 6. 7.

Структу рная карта абразивного инструмента на бакелитовой связке

11омер

Объем.

Соотношение объема связки и объема пор со степенью твердости.

структуры.

зерна. %.

М2.

М3.

СМ1.

СМ2.

С1.

С2.

СТ1.

СТ2.

СТЗ.

Т1.

Т2.

ВТ.

ЧТ.

Примечание. В числителе — объем связки, в знаменателе — объем пор.

По В. В. Райту при расчете рецептуры формовочной смеси исходными данными являются заданные номер структуры и степень твердости абразивного инструмента. По структурной карте (см. табл. 6.7) легко определяется объем связки.

В состав связки обычно входят как минимум три компонента: жидкий бакелит, связующее фенольное порошкообразное (пульвербакелит) и наполнитель, например криолит. Типичное соотношение объемов этих компонентов:

Масса каждого компонента определяется по формуле.

где Л/₃ — масса зерна (обычно задается); V_K — объем компонента, %; d_K — плотность компонента, г/см³; К₃ — объем зерна, %; d₃ — плотность зерна, г/см³.

Объемная масса формуемого изделия:

Умножая величину объема формуемого изделия на его объемную массу, получаем значение навески формовочной смеси в расчете на изделие.

Плотность наполнителей, применяющихся при изготовлении абразивного инструмента, характеризуется следующими значениями, г/см³: криолит синтетический AlF₃*/?NaF — 2,96; железный колчедан (пирит) FeS₂ — 5,00; сульфид цинка ZnS — 4,04; хлорид свинца РЬС1₂ — 5,85; сульфид сурьмы Sb₂S₅ — 4,12; фтороборат калия KBF₄ — 2,50; хлорид натрия NaCl — 2,16; хлорид калия КС1 — 1,98; сульфат натрия Na₂S0₄ — 2,70; сульфат калия K₂S0₄ — 2,64; негашеная известь СаО — 3,37; гашеная известь Са (ОН)₂ — 2,24; известняк СаС0₃ — 2,70; полевой шпат CaF₂ — 2,60; шамот — 2,30; мрамор — 2,85; микропорошок карбида кремния — 3,15; микропорошок электрокорунда — 3,90; асбест — 2,62; стекловолокно — 1,95; алебастр (гипс) 2CaS0₄ H₂0 — 2,30.

Следует отличать рецептурную структуру, которую используют при расчете рецептуры для изготовления абразивного инструмента, от структуры готового (термообработанного) абразивного инструмента. В процессе термической обработки (бакелизации) часть бакелитовой связки переходит в газообразное состояние и улетучивается (потери при поликонденсации в жидком бакелите составляют до 30%, в связующем фенольном порошкообразном — до 3%), поэтому структура термообработанного изделия несколько отличается от рецептурной структуры. Объемное содержание пор при бакелизации изделия увеличивается за счет уменьшения объемного содержания связки на 3—5% в зависимости от количества и качества ее компонентов.

Для определения взаимосвязи параметров рецептурной структуры с твердостью, коэффициентом прессования и удельным усилием при прессовании абразивного инструмента на бакелитовой связке проведен эксперимент с использованием ортогонального композиционного планирования. При этом варьируемыми параметрами были рецептурное объемное содержание шлифовального материала У₃ и связки У_с. Соотношение компонентов связки (объемов жидкого бакелита К_ж6, порошкообразного связующего У_пс и криолита У_кр) взято постоянным:

Исследуемые параметры: твердость отвержденного образца, определяемая глубиной лунки по ГОСТ 18 118–72, коэффициент прессования (отношение насыпной массы смеси к массе заформованной заготовки) и удельное усилие прессования — определялись на образцах кругов ПП 150 * 20×75 из белого электрокорунда зернистостей 6, 8, 10, 16, 25 и 40. Для кругов, изготовленных методом холодного прессования, объемное содержание шлифовального материала и связки, а также зернистость выбирали с учетом номенклатуры абразивного инструмента, выпускаемого в России.

Анализ полученных зависимостей показал, что твердость абразивного инструмента на бакелитовой связке зависит от объемного содержания связки в большей степени, чем от объемного содержания шлифматериала.

В качестве примера на рис. 6.1 представлена диаграмма состава абразивного инструмента на бакелитовой связке, на которой показана (в виде изокривых) взаимосвязь параметров рецептурной структуры К, У_с, У_п с твердостью, коэффициентом прессования и удельным усилием прессования.

Следует отметить, что с увеличением зернистости от 6 до 40 коэффициент прессования снижается с 2,1 до 1,4, а удельное усилие прессования — с 430 10⁵ до 200−10⁵ Н/м² (рис. 6.2).

Кривая 1 показывает границу формования изделий методом холодного прессования без разрушения абразивных зерен, кривая 2— границу минимальнодопустимой прочности заформованного сырого круга, кривая 3— границу максимально плотных структур абразивных кругов при холодном прессовании без дефектов (вспучивания и др.), которые возникают при термической обработке очень плотных изделий.

Абразивный инструмент очень плотных структур с пористостью менее 15% изготовляют методом горячего прессования. Для производства высокопористого абразивного инструмента У_п > 35%) может быть применен метод замены части абразивных зерен порообразователем |337|.

Графическое отображение свойств абразивного инструмента на трехкомпонентной диаграмме с введением граничных условий в виде граничных кривых позволяет легко определить некоторые технологические параметры изготовления абразивного инструмента при заданной характеристике.

Например, требуется изготовить абразивный инструмент на бакелитовой связке зернистостью 25, твердостью С2, с объемным содержанием шлиф;

Рис. 6.1. Изокривые твердости (сплошные линии), коэффициента прессования (штрих-пунктирные линии) и удельного усилия прессования (пунктирные линии) в системе У₃— У_с— У_п при зернистости 25.

Рис. 6.2. Зависимость удельного прессования (/) и коэффициента прессования (2) от зернистости шлифматериала при У₃ = 50 %, У_с = 20%.

материала К_з = 48% (структура № 7). Проектируя точку пересечения изокривой твердости С2 на диаграмме с линией объемного содержания шлифматериала У₃ на ось У_с, определяем объемное содержание связки: У_с = 24%; при этом коэффициент прессования составит около 1,63, удельное усилие прессования — 250−10⁵ Н/м². По полученному коэффициенту прессования выбирают высоту пресс-формы или объем смеси при объемном дозировании, по значению удельного усилия прессования рассчитывают номинальное усилие прессования.

Другой пример. Требуется изготовить абразивный инструмент на бакелитовой связке твердостью СМ2 с объемным содержанием шлифматериала У₃ = 38% (структура № 12). На диаграмме (см. рис. 6.1) видно, что точка пересечения изокривой твердости СМ2 с линией объемного содержания шлифматериала лежит за кривой 2, которая ограничивает область возможного изготовления абразивного инструмента по условию минимально допустимой прочности сырца. Следовательно, изготовить инструмент с заданной характеристикой обычным методом, без применения специальных порообразователей, невозможно. Об этом свидетельствует значение удельного усилия прессования, которое при экстраполяции будет близко к нулю.

Проведенные исследования позволили выявить и наглядно представить на трехкомпонентной диаграмме взаимосвязь параметров структуры с твердостью, а также с такими технологическими параметрами, как коэффициент прессования и удельное усилие прессования абразивного инструмента на бакелитовой связке. Систематизация экспериментальных данных позволила выявить и ограничить область реальных технологических условий изготовления абразивного инструмента на бакелитовой связке, изготовляемого холодным прессованием без применения специальных порообразователей. Полученные зависимости коэффициента прессования и удельного усилия прессования от рецептурных параметров структуры могут быть использованы на практике при выборе прессового оборудования и оснастки.