Удосконалення процесу алмазного шліфування кругами на керамічній зв'язці за рахунок забезпечення їх самозаточування
Вантажиться...
Дата
2021
Автори
ORCID
DOI
Науковий ступінь
кандидат технічних наук
Рівень дисертації
кандидатська дисертація
Шифр та назва спеціальності
05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструменти
Рада захисту
Спеціалізована вчена рада Д 64.050.12
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Науковий керівник
Федорович Володимир Олексійович
Члени комітету
Пермяков Олександр Анатолійович
Пижов Іван Миколайович
Зубкова Ніна Вікторівна
Пижов Іван Миколайович
Зубкова Ніна Вікторівна
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – "Процеси механічної обробки, верстати та інструменти" (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертаційне дослідження присвячене вирішенню актуальної науково-прикладної задачі розробки теоретичних і технологічних принципів забезпечення умов самозаточування алмазних кругів на керамічних зв’язках. Метою роботи є підвищення ефективності алмазного шліфування за рахунок реалізації раціонального самозаточування кругів на керамічних зв’язках шляхом науково обґрунтованого визначення їх характеристик на етапі проектування, виготовлення та експлуатації інструменту. Об’єкт дослідження – процеси формування алмазно-абразивного інструменту на керамічних зв’язках та шліфування в режимі самозаточування.
Предмет дослідження – визначення раціональних характеристик і технологічних параметрів виготовлення алмазних кругів, а також режимів шліфування, що забезпечують їх раціональне самозаточування. У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її мету та завдання,
об'єкт, предмет і методи дослідження, розкрито наукову новизну і практичну значимість, надано дані про апробацію результатів, наукові публікації і структуру роботи. Перший розділ присвячено комплексному аналізу науково-технічної інформації щодо перспективних напрямків розвитку сучасного виробництва ААІ, основних факторів, що визначають процеси руйнування алмазних кругів, а також шляхи
підвищення їх стійкості. Розглянуті теоретичні та технологічні передумови самозаточування алмазних кругів, зауважено, що натепер не існує єдиного погляду на природу самозаточування, що ускладнює розробку оперативних методів впливу на робочу поверхню алмазного круга. Показана перспективність використання алмазно-абразивного інструменту (ААІ) на керамічних зв’язках, які відрізняються високою якістю обробки, твердістю, стійкістю до високих темпера-тур і хімічних впливів, дозволяють виготовляти
інструмент із різним типом структури та за певних умов шліфування демонструють ефект самозаточування. Зазначено, що станом на сьогодні склокерамічні зв'язки для виготовлення ААІ не використовують через високу температуру спікання керамо-матричного абразивного шару інструменту, яка викликає термічну деградацію алмазних зерен. Отже для реалізації потенціалу ААІ на керамічних зв’язках необхідним є науково-обґрунтованій підхід до створення алмазних кругів на легкоплавких зв’язках із комплексом заданих фізико-механічних і теплофізичних властивостей. Проаналізовано сучасні підходи до вивчення процесів виготовлення та експлуатації алмазних кругів. Зроблено висновок, що найбільш дієвим способом вирішення задачі оптимізації характеристик складових алмазоносного шару круга, технологічних параметрів його спікання та шліфування в режимі раціонального самозаточування є моделювання відповідних процесів з використанням методу кінцевих елементів.
На підставі аналізу літературних даних сформульовано мету і задачі досліджень та визначено шляхи їх вирішення. У другому розділі представлено характеристику загальної методології досліджень. Викладено вдосконалену методологію моделювання процесу спікання алмазоносного шару ААІ і шліфування в режимі самозаточування, що ґрунтується на кінцево-елементних розрахунках, описано програмні продукти та загальні умови проведення модельних експериментів. Надано характеристику матеріалів для розробки склокерамічних зв'язок і алмазовмісних композитів, а також описані методики експериментальних випробувань. Визначення особливостей процесу шліфування і якості
обробленої поверхні проводили за загальноприйнятими методиками та включали вимірювання 3D топографії робочої поверхні круга з використанням методу лазерного сканування. Дослідження процесів фазоутворення, структури та фазового складу матеріалів здійснювали з використанням рентгенофазового, диференційно-термічного та електронно-мікроскопічного методів. При проведенні досліджень залучено прилади та устаткування міжкафедральної лабораторії НТУ "ХПІ", Вісмарської ви-
щої школи, Магдебурзького технічного університету, Техаського університету A&M. Третій розділ присвячений теоретичним дослідженням НДС компонентів алмазного круга на стадії виготовлення ААІ. Обговорюються результати мікрорівневого 3D моделювання процесу спікання алмазоносного шару, на підставі яких надано рекомендації щодо раціональних характеристик керамоматричного алмазовмісного
композиту. За даним напрямком отримані наступні результати: – удосконалено методологію проектування ААІ на основі комплексного 3D моделювання алмазних кругів, здатних до самозаточування при шліфуванні важко-оброблюваних матеріалів; вперше моделювання процесів спікання алмазоносного
шару та шліфування здійснено з урахуванням температурних залежностей основних властивостей структурних компонентів круга, а також пористості зв'язки; – встановлено, що основними причинами, що стримують широке використання алмазних кругів на серійних керамічних зв'язках є невідповідність високої температури їх плавлення (понад 800 ºС) та міцності алмазних зерен, що призводить до передчасного руйнування зерен ще на стадії виготовлення кругів; – виявлено зв'язок стану зерен при спіканні алмазоносного шару та їх здатності до відновлення різальних властивостей при шліфуванні; встановлено, що для раціонального самозаточування зерна мають зберігати цілісність та знаходитись в
перед-руйнівному стані, який характеризується наявністю мікротріщин, успадкованих після спікання алмазоносного шару; – встановлено вплив технологічних параметрів процесу і характеристик алмазного круга на цілісність зерен при спіканні, на підставі чого надано практичні рекомендації по вибору алмазних композицій з раціональними властивостями. В четвертому розділі представлено результати кінцево-елементного моделювання процесу шліфування алмазними кругами в режимі самозаточування. Досліджено вплив характеристик алмазоносного шару та властивостей різних важкооброблюваних матеріалів на зміну напружено-деформованого стану в зоні різання. Дослідження в цьому напрямку дали такі результати: – вперше визначені оптимальні поєднання фізико-механічних і тепло-фізичних властивостей керамічної зв’язки залежно від пористості алмазоносного шару, концентрації і зернистості порошків, які забезпечують раціональне самозаточування при шліфуванні важкооброблюваних матеріалів; – визначено вплив характеристик алмазних порошків, їх концентрації, властивостей зв’язки, глибини закладення зерен в зв’язку та розмірів площадок зносу, що утворюються при шліфуванні, на напружено-деформований стан (НДС) системи; – проведено аналіз процесу шліфування у вирішувачі LS-Dyna; визначені об’єми зруйнованих зерен і оброблювального матеріалу в різні періоди шліфування.
Пятий розділ містить результати досліджень, спрямованих на розробку легкоплавких склокерамічних зв'язок із заданим комплексом властивостей та керамо-матричних алмазовмісних композитів з раціональними характеристиками. Результати досліджень в даному напрямку дозволили визначити наступне: – розроблено легкоплавку склокерамічну зв’язку, яка забезпечує отримання алмазоносного шару за температури спікання 600–620 ºС та за комплексом властивостей задовольняє визначеним умовам раціонального самозаточування круга. Встановлено, що модифікація базової евтектичної композиції системи Na₂O–B₂O₃–SiO₂ оксидами Li₂O і TiO₂ забезпечує утворення титанатів літію, які підвищують жаростійкість, зносостійкість і водостійкість склокерамічної зв’язки; – показано, що використання пороутворюючої добавки (2,0–2,5 мас. % Li₂CO₃) або структуроутворюючого наповнювача (20–30 мас. % техногенних мікро-сфер), дозволяє збільшити пористість алмазного круга до 25–33% і 45–55% відповідно та підвищити працездатність інструменту за рахунок раціонального самозаточування;
– розроблено алгоритм і методологію вибору раціональних характеристик алмазоносного шару, що дозволяє підвищити стійкість інструменту і продуктивність шліфування важкооброблюваних матеріалів. Ефективність запропонованих технологічних рішень підтверджена результатами лабораторно-промислових випробувань в умовах ТОВ "Інстайл" і ТОВ "Компанія ЗБРОЯ", які свідчать про підвищення продуктивності шліфування в 1,7-1,8 разів та зниження собівартості алмазної обробки в 1,5 рази за рахунок скорочення витрат алмазних зерен на 20-40%.
Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.03.01 – "Processes of mechanical processing, machines and tools" (13 – mechanical engineering) – National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, 2021. The aim of the work is to increase the efficiency of diamond grinding through the implementation of rational self-sharpening of circles on ceramic binders by scientifically sound determination of their characteristics at the stage of tool design, manufacture and operation. The object of research is the processes of formation of a diamond-abrasive tool on ceramic bonds and grinding in the self-sharpening mode. The subject of research is the determination of rational characteristics and technological parameters for the manufacture of diamond wheels, as well as grinding modes that ensure their rational self-sharpening. The dissertation research is devoted to solving an urgent scientific and applied problem of developing theoretical and technological principles for ensuring the conditions for self-sharpening of diamond wheels on ceramic bonds. The introduction substantiates the relevance of the work, formulates its goals and objectives, the object, subject and methods of research, discloses the scientific novelty and practical significance of the work, provides data on the results approbation, scientific publications and the structure of the work. The first chapter is devoted to a comprehensive analysis of scientific and technical information on promising directions for the development of modern diamond abrasive tool (DAT) production, the main factors that determine the processes of diamond wheels destruction, as well as ways to increase their stability. The theoretical and technological prerequisites for self-sharpening of diamond wheels are considered, it is noted that at the moment there is no single view of the nature of self-sharpening, which complicates the operational methods development of influencing the diamond wheel working surface. It is shown that the use of DAT on ceramic bonds is promising, which are distinguished by high quality of finishing, hardness, resistance to high temperatures and chemical influences, make it possible to manufacture tools with different types of structure and, under certain grinding conditions, are demonstrate the effect of self-sharpening. It is noted that today glass-ceramic bonds for the manufacture of DAT are almost not used due to the high sintering temperature of the ceramic-matrix abrasive tool layer, which causes thermal degradation of diamond grains. So, to realize the potential of DAT on ceramic bonds, a scientifically grounded approach to the creation of diamond wheels on low-melting bonds with a set of specified physical, mechanical and thermophysical properties is necessary. Modern approaches to the study of diamond wheels making and operation processes are analyzed. It is concluded that the most effective way to solve the problem of optimizing the characteristics of the components of the diamond-bearing layer of the wheel, the technological parameters of its sintering and grinding in the mode of rational self-sharpening is the finite element modeling of the corresponding processes. Based on the analysis of literature data, the goal and objectives of the research are formulated and the ways of their solution are determined. The second chapter provides a description of the general research methodology. An improved methodology for modeling the process of sintering a diamond-bearing layer of DAT and grinding in a self-sharpening mode, based on finite element calculations, is described, software products and general conditions for conducting model experiments are described. The materials used in the development of glass-ceramic bonds and diamondcontaining composites based on them are characterized, and the methods and equipment for experimental tests are described. The determination of the features of the grinding process and the quality of the processed surface was carried out according to generally accepted methods and included measurements of the 3D topography of the working surface of the wheel using the laser scanning method. Investigation of the processes of phase formation, structure and phase composition of materials was carried out using methods of physicochemical analysis: X-ray phase, differential thermal, electron-microscopic. The research involved the instruments and equipment of the interdepartmental laboratory of NTU "KhPI", University of Applied Sciences: Technology, Business and Design (Hochschule Wismar), Magdeburg Technical University, Texas A&M University. The third chapter is devoted to theoretical studies of the stress-strain state of the diamond wheel components at the stage of DAT manufacturing. The results of finite element analysis and 3D modeling of the sintering process of a diamond-bearing layer are discussed, on the basis of which recommendations are given on the rational characteristics of a ceramic- matrix diamond composite. In this direction, the following results were obtained: – methodology for diamond wheels designing based on 3D modeling of diamond wheels capable of self-sharpening when grinding difficult-to-machine materials were improved; for the first time, the model of the sintering processes a diamond-bearing layer and grinding was carried out, taking into account the temperature dependences of the main properties of the structural components of the circle, as well as the porosity of the bond; – it was found that the main reasons restraining the wide using of diamond wheels on existing ceramic bonds is the discrepancy between their high melting temperature (~ 700-800 °C) and the strength of diamond grains, which leads to a rapid decrease in cutting ability by reason of the thermal destruction of grains even at the stage making circles; – the relationship between the state of grains during sintering of the diamond layer and their ability to restore cutting properties during grinding has been revealed; it was found that for rational self-sharpening the grains must maintain their integrity and be in condition, which is characterized by the presence of microcracks inherited after sintering of the diamond-bearing layer; – the influence of the technological parameters of the process and the characteristics of the diamond wheel on the integrity of the grains during sintering was established, on the basis of which practical recommendations were given for the selection of diamond compositions with rational properties. The fourth chapter presents the results of finite element modeling of the grinding process with diamond wheels in the self-sharpening mode. The influence of the characteristics of the diamond-bearing layer and the properties of various difficult-to-machine materials on the change in the stress-strain state in the cutting zone has been investigated. Research in this direction gave the following results: – for the first time, the optimal combinations of physical-mechanical and thermophysical properties of a ceramic bond were determined depending on the porosity of the diamond-bearing layer, the concentration and granularity of powders, which provide rational self-sharpening when grinding difficult-to-machine materials; – the influence of the characteristics of diamond powders, their concentration, bond properties, the depth of the grain in the bond and the size of the wear areas formed on the grains during grinding on the SSS of the system was determined; – a dynamic analysis of the grinding process was carried out in the LS-Dyna solver; the volumes of destroyed grains and processing material in different periods of grinding have been determined. Thе fifth chapter contains the results of research aimed at the development of lowmelting glass-ceramic bonds with a given set of properties and ceramic-matrix diamondcontaining composites with rational characteristics. The results of research in this direction made it possible to determine the following: – a low-melting glass-ceramic bond has been developed, which ensures the production of a diamond-bearing layer at a sintering temperature of 600-620 °C and, in terms of a set of properties, satisfies certain conditions for rational self-sharpening of wheels. It was found that the modification of the basic eutectic composition of the Na₂O–B₂O₃–SiO₂ system with Li₂O and TiO₂ oxides provides the formation of lithium titanates, which increase the heat resistance, wear resistance and water resistance of the glass-ceramic bond; – it has been shown that the use of pore-forming additives (2.0–2.5 wt.% of Li₂CO₃) or a structure-forming filler (20–30 wt.% of technogenic microspheres) makes it possible to increase the total porosity of the diamond wheel to 25–33% and 45–55% accordingly, and to increase the efficiency of the tool due to rational self-sharpening; – an algorithm and methodology for the selection of rational characteristics of the diamond-bearing layer has been developed, which makes it possible to increase the tool life and productivity of grinding difficult-to-machine materials. The effectiveness of the proposed technological solutions is confirmed by the results of laboratory and industrial tests under the conditions of LLC «Instail», which indicate an increase in the grinding productivity by 1.7 times and a decrease in the cost of diamond abrasive processing by 1.5 times due to a reduction in the consumption of diamond grains by 20-40%.
Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.03.01 – "Processes of mechanical processing, machines and tools" (13 – mechanical engineering) – National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, 2021. The aim of the work is to increase the efficiency of diamond grinding through the implementation of rational self-sharpening of circles on ceramic binders by scientifically sound determination of their characteristics at the stage of tool design, manufacture and operation. The object of research is the processes of formation of a diamond-abrasive tool on ceramic bonds and grinding in the self-sharpening mode. The subject of research is the determination of rational characteristics and technological parameters for the manufacture of diamond wheels, as well as grinding modes that ensure their rational self-sharpening. The dissertation research is devoted to solving an urgent scientific and applied problem of developing theoretical and technological principles for ensuring the conditions for self-sharpening of diamond wheels on ceramic bonds. The introduction substantiates the relevance of the work, formulates its goals and objectives, the object, subject and methods of research, discloses the scientific novelty and practical significance of the work, provides data on the results approbation, scientific publications and the structure of the work. The first chapter is devoted to a comprehensive analysis of scientific and technical information on promising directions for the development of modern diamond abrasive tool (DAT) production, the main factors that determine the processes of diamond wheels destruction, as well as ways to increase their stability. The theoretical and technological prerequisites for self-sharpening of diamond wheels are considered, it is noted that at the moment there is no single view of the nature of self-sharpening, which complicates the operational methods development of influencing the diamond wheel working surface. It is shown that the use of DAT on ceramic bonds is promising, which are distinguished by high quality of finishing, hardness, resistance to high temperatures and chemical influences, make it possible to manufacture tools with different types of structure and, under certain grinding conditions, are demonstrate the effect of self-sharpening. It is noted that today glass-ceramic bonds for the manufacture of DAT are almost not used due to the high sintering temperature of the ceramic-matrix abrasive tool layer, which causes thermal degradation of diamond grains. So, to realize the potential of DAT on ceramic bonds, a scientifically grounded approach to the creation of diamond wheels on low-melting bonds with a set of specified physical, mechanical and thermophysical properties is necessary. Modern approaches to the study of diamond wheels making and operation processes are analyzed. It is concluded that the most effective way to solve the problem of optimizing the characteristics of the components of the diamond-bearing layer of the wheel, the technological parameters of its sintering and grinding in the mode of rational self-sharpening is the finite element modeling of the corresponding processes. Based on the analysis of literature data, the goal and objectives of the research are formulated and the ways of their solution are determined. The second chapter provides a description of the general research methodology. An improved methodology for modeling the process of sintering a diamond-bearing layer of DAT and grinding in a self-sharpening mode, based on finite element calculations, is described, software products and general conditions for conducting model experiments are described. The materials used in the development of glass-ceramic bonds and diamondcontaining composites based on them are characterized, and the methods and equipment for experimental tests are described. The determination of the features of the grinding process and the quality of the processed surface was carried out according to generally accepted methods and included measurements of the 3D topography of the working surface of the wheel using the laser scanning method. Investigation of the processes of phase formation, structure and phase composition of materials was carried out using methods of physicochemical analysis: X-ray phase, differential thermal, electron-microscopic. The research involved the instruments and equipment of the interdepartmental laboratory of NTU "KhPI", University of Applied Sciences: Technology, Business and Design (Hochschule Wismar), Magdeburg Technical University, Texas A&M University. The third chapter is devoted to theoretical studies of the stress-strain state of the diamond wheel components at the stage of DAT manufacturing. The results of finite element analysis and 3D modeling of the sintering process of a diamond-bearing layer are discussed, on the basis of which recommendations are given on the rational characteristics of a ceramic- matrix diamond composite. In this direction, the following results were obtained: – methodology for diamond wheels designing based on 3D modeling of diamond wheels capable of self-sharpening when grinding difficult-to-machine materials were improved; for the first time, the model of the sintering processes a diamond-bearing layer and grinding was carried out, taking into account the temperature dependences of the main properties of the structural components of the circle, as well as the porosity of the bond; – it was found that the main reasons restraining the wide using of diamond wheels on existing ceramic bonds is the discrepancy between their high melting temperature (~ 700-800 °C) and the strength of diamond grains, which leads to a rapid decrease in cutting ability by reason of the thermal destruction of grains even at the stage making circles; – the relationship between the state of grains during sintering of the diamond layer and their ability to restore cutting properties during grinding has been revealed; it was found that for rational self-sharpening the grains must maintain their integrity and be in condition, which is characterized by the presence of microcracks inherited after sintering of the diamond-bearing layer; – the influence of the technological parameters of the process and the characteristics of the diamond wheel on the integrity of the grains during sintering was established, on the basis of which practical recommendations were given for the selection of diamond compositions with rational properties. The fourth chapter presents the results of finite element modeling of the grinding process with diamond wheels in the self-sharpening mode. The influence of the characteristics of the diamond-bearing layer and the properties of various difficult-to-machine materials on the change in the stress-strain state in the cutting zone has been investigated. Research in this direction gave the following results: – for the first time, the optimal combinations of physical-mechanical and thermophysical properties of a ceramic bond were determined depending on the porosity of the diamond-bearing layer, the concentration and granularity of powders, which provide rational self-sharpening when grinding difficult-to-machine materials; – the influence of the characteristics of diamond powders, their concentration, bond properties, the depth of the grain in the bond and the size of the wear areas formed on the grains during grinding on the SSS of the system was determined; – a dynamic analysis of the grinding process was carried out in the LS-Dyna solver; the volumes of destroyed grains and processing material in different periods of grinding have been determined. Thе fifth chapter contains the results of research aimed at the development of lowmelting glass-ceramic bonds with a given set of properties and ceramic-matrix diamondcontaining composites with rational characteristics. The results of research in this direction made it possible to determine the following: – a low-melting glass-ceramic bond has been developed, which ensures the production of a diamond-bearing layer at a sintering temperature of 600-620 °C and, in terms of a set of properties, satisfies certain conditions for rational self-sharpening of wheels. It was found that the modification of the basic eutectic composition of the Na₂O–B₂O₃–SiO₂ system with Li₂O and TiO₂ oxides provides the formation of lithium titanates, which increase the heat resistance, wear resistance and water resistance of the glass-ceramic bond; – it has been shown that the use of pore-forming additives (2.0–2.5 wt.% of Li₂CO₃) or a structure-forming filler (20–30 wt.% of technogenic microspheres) makes it possible to increase the total porosity of the diamond wheel to 25–33% and 45–55% accordingly, and to increase the efficiency of the tool due to rational self-sharpening; – an algorithm and methodology for the selection of rational characteristics of the diamond-bearing layer has been developed, which makes it possible to increase the tool life and productivity of grinding difficult-to-machine materials. The effectiveness of the proposed technological solutions is confirmed by the results of laboratory and industrial tests under the conditions of LLC «Instail», which indicate an increase in the grinding productivity by 1.7 times and a decrease in the cost of diamond abrasive processing by 1.5 times due to a reduction in the consumption of diamond grains by 20-40%.
Опис
Ключові слова
дисертація, алмазно-абразивний інструмент, стійкість алмазного круга, продуктивність шліфування, спікання алмазоносного шару, шліфування в режимі самозаточування, метод кінцевих елементів, мікрорівневе 3D моделювання, напружено-деформований стан, структурно-фазові складові, раціональні характеристики, diamond-abrasive tool, diamond wheel stability, grinding performance, sintering of diamond-bearing layer, grinding in self-sharpening mode, finite element method, three-dimensional microlevel simulation, stress-strain state, structural-phase components, rational characteristics
Бібліографічний опис
Федоренко Д. О. Удосконалення процесу алмазного шліфування кругами на керамічній зв'язці за рахунок забезпечення їх самозаточування [Електронний ресурс] : дис. ... канд. техн. наук : спец. 05.03.01 : галузь знань 13 / Дмитро Олегович Федоренко ; наук. керівник Федорович В. О. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2021. – 233 с. – Бібліогр.: с. 194-217. – укр.