Поліщук А.Г.

Київський національний університет будівництва і архітектури, Україна

СПОСІБ ВИГОТОВЛЕННЯ АБРАЗИВНИХ КРУГІВ

На сьогоднішній день абразивні армовані круги в поєднанні з ручними, переносними та стаціонарними машинами отримали масове застосування при виконанні трудомістких обрізних і зачисних операцій в будівництві та інших галузях народного господарства. Найбільшими виробниками кругів в Україні є Запорізький абразивний комбінат, а в СНД - Лузький абразивний завод, який щорічно виготовляє понад 250 млн. кругів.

Різання штучного та природного каменю абразивними армованими кругами отримало широке розповсюдження як на монтажних площадках так і на промислових базах. В поєднанні з ручними машинами використовують абразивні армовані круги діаметром до 230 мм. Круги діаметром від 300 до 500 мм являються ріжучим інструментом переносних машин, що використовуються здебільшого на промислових базах. Процес різання твердих кам’яних матеріалів супроводжується великим пилоутворенням, яке є занадто шкідливим для здоров’я людини, тому переносні та стаціонарні машини, що використовують круги діаметром від 300 мм зазвичай обладнані замкнутою системою циркуляції рідини, яка подається в зону різання.

Абразивні армовані круги представляють собою складну багатокомпонентну композицію, що складається із абразивних зерен, закріплених в органічній матриці, до складу якої входять зв’язувальні речовини і наповнювач. Для підвищення міцності та забезпечення безпечної роботи круги армують зміцнюючими елементами. Абразивний інструмент в залежності від характеристик має встановлене відсоткове співвідношення об’ємів зерна, зв’язки і пор.

На фізичні процеси, які проходять під час різання гірських порід абразивними армованими кругами, значний вплив мають температури, що виникають в зоні контакту і в зв’язці круга. Температура руйнування органічної (бакелітової) зв’язки складає 250-300⁰С. При взаємодії круга з оброблюваним матеріалом в контактній зоні виникають більш високі температури, що забезпечують руйнування зв’язки, за рахунок чого виникає процес сомозагострення абразивних армованих кругів. При різанні матеріалів з використанням води для обезпиленням процесу різання, що має велику теплопровідність, температура зв’язки знижується і стає недостатньою для її руйнування, тому виникає засалювання ріжучої кромки круга.

В зв’язку з тим, що круг, призначеному для різання зі змочуванням водою, самозагострюватись може лише при умові, якщо міцність з’єднання абразивних зерен зі зв’язкою буду менше, виконувались дослідження складу абразивної маси круга:

1. Зменшення об’ємного складу зерна при постійній пористості;

2. Дослідження двох типів наповнювачів – кріоліт і алібастр;

3. Зміна співвідношення об’ємного складу зерна і пористості.

Під час виготовлення кругів рецептура круга визначалась із розрахунку на 10 вагових частин (в.ч.) зерна (48,55), при цьому об’ємний склад кріоліту і алабастру складав 20% від об’ємного складу зв’язки.

Об’ємна маса сирого круга вираховувалась за формулою

(1)

де – об'ємна вага зерна, г/см³; – об'ємна вага наповнювача, г/см³; – об'ємна вага зв’язки (рідкого бакеліту і пульвербакеліту), г/см³; - об’ємний склад зерна,%; - об’ємний склад кріоліту, %; - об’ємний склад зв’язки, %.

Для досліджень впливу зменшення об’ємного складу зерна при постійній пористості були виготовлені круги відкритої структури з об’ємним складом зерна 44; 42; 40,7; 38% і пор 20% [1]. В цих кругах збільшувалась відстань між абразивними зернами, тобто при різанні на кожне зерно діє велике зусилля, що сприяє самозагостренню.

Круги з об’ємним складом зерна 38% на працездатність не перевірялись зважаючи на наявність раковин на бокових поверхнях і низької розривної швидкості. Рецептура кругів наведена в таблиці 1.

Як виявилось після досліджень круг зі зменшеним об’ємом складу зерна втрачає стійкість. Це пояснюється тим, що разом зі збільшенням відстані між абразивними зернами збільшується кількість зв’язки, що зв’язує зерна між собою. Під час різання цими кругами виникає затуплення ріжучої кромки, а зусилля недостатні для випадання затуплених абразивних зерен зі зв’язки круга. Тому такі круги не можна використовувати для різання зі змочуванням водою.

Таблиця 1

№№ п/п	Рецептура в м.ч. та властивість	Об’ємний склад зерна %
		44	42	40,7	38
1.	КЧ 125	25	25	25	25
2.	КЧ 80	50	50	50	50
3.	КЧ 50	25	25	25	25
4.	Рідкий бакеліт	11,9	12,5	13,7	15,5
5.	Кріоліт	15,3	16,9	17	20,8
6.	Пульвербакеліт	13,8	15,5	17,3	19,1
7.	Об’ємна маса сирого круга, г/см^3	1,99	1,95	1,93	1,89
8.	Твердість по піскоструйному приладу	СТ3	СТ3	СТ3	СТ3
9.	Розривна швидкість м/с	125	125	125	125

В зв’язку з цим досліджувались круги, в яких при зменшенні об’ємного складу зерна збільшувалась пористість, тобто ослаблялась зв’язка між абразивними зернами. В цих кругах об’ємний склад зерна становив 44,5; 43,5; 42,3; 41,2; 40% і пористість відповідно 22,75; 24,5; 26,7; 28,5 і 30,6%. Рецептура круга представлена в таблиці 2.

Таблиця 2

№п/п	Рецептура в м.ч. та властивість	Об’ємний склад зерна (пористість) %
		44,5	43,5	42,3	41,2	40
		22,75	24,5	26,7	28,5	30,6
1.	КЧ 125	25	25	25	25	25
2.	КЧ 80	50	50	50	50	50
3.	КЧ 50	25	25	25	25	25
4.	Рідкий бакеліт	10,6	10,6	10,6	10,6	10,6
5.	Кріоліт	13,8	13,8	13,8	13,8	13,8
6.	Пульвербакеліт	12,4	12,4	12,4	12,	12,4
7.	Об’ємна маса сирого круга, г/см3	1,95	1,9	1,85	1,8	1,75
8.	Твердість по піскоструйному приладу	СТ3	СТ3	СТ3	СТ3	СТ3
9.	Розривна швидкість м/с	125	125	125	125	125

Із таблиці видно, що круги виготовлені по рецептурі зі зміною об’ємної маси, що склала 2,01 г/см3. Отже, в тому ж об’ємі пресувалась менша кількість абразивної маси, тобто відповідно зменшувалась зв’язка між зернами. Слід зазначити, що не дивлячись на збільшення пористості круга до 30 %, всі круги витримували розривні випробування при коловій швидкості 115 м/с. При цьому спостерігались скачки потужності, що свідчить про затуплення круга. В зв’язку з цим круги руйнувались приблизно через 0,5 – 0,6 м2 різу. Звідси ми бачимо, що зменшення об’ємного складу зерна, навіть при збільшенні пористості, не приводить до очікуваного результату і такі круги не можуть використовуватись при різанні зі змочуванням водою.

Під час виготовлення абразивних кругів, призначених для різання гірських порід, застосовувалось два типи наповнювачів – кріоліт і алібастр. Для дослідження впливу типу наповнювача на працездатність досліджувались круги зі складом маси, що застосовується для виготовлення абразивних кругів з металічною основою [2]. Об’ємний склад зерна в цих кругах складає 46 % і пористість 21,2%. Досліджувались два типи кругів зернистістю 125/80/50 і 80/50 з об’ємним складом зерна 51,3 % і пористістю 24,3. Рецептура цих кругів представлена в таблиці 3.

Таблиця 3

№ п/п	Рецептура в м.ч. та властивість	Об’ємний склад зерна (пористість) %
		51,3	51,3	51,3
		24,3	24,3	24,3
1.	КЧ 125	-	25	-
2.	КЧ 80	50	50	50
3.	КЧ 50	50	25	50
4.	Рідкий бакеліт	7,2	7,2	10,3
5.	Кріоліт	2,6	2,6	6
6.	Пульвербакеліт	10,3	10,3	13,7
7.	Об’ємна маса сирого круга, г/см^3	1,97	1,97	1,94
8.	Твердість по піскоструйному приладу	СТ 1	СТ 1	СТ 3
9.	Розривна швидкість м/с	125	125	125

З приведеної таблиці видно, що в кругах з об’ємним складом зерна 51,3% і пористістю 24,3% не дивлячись на зменшення об’ємного складу зв’язки з 34 до 24% розривна здатність складає 125 м/с. Тобто збільшення пористості у визначених межах не впливає на розривну здатність.

Дослідження показали, що склад абразивної маси для кругів з металічною основою і абразивних армованих не можуть бути однаковими, так як ці круги мають різну механічну міцність, тобто здатні витримати різноманітні нормальні зусилля. Тому при роботі кругами з металічною основою в наслідок значних зусиль різання відбувається розшарування круга, а при різанні абразивними армованими кругами, що мають меншу механічну міцність, нормальні зусилля, які діють на затуплений круг, викликають його поломку приблизно через 0,8 м2 різу. Встановлено, що тип наповнювача не виявляє значного впливу на працездатність круга.

Під час вивчення впливу об’ємного складу зв’язки на працездатність досліджувались круги з об’ємним складом зерна 46% і пористістю 25 і 30%, з об’ємним складом зерна 48,5% і пор 28,3%; при цьому круги мали зернистість 80/50, а в якості наповнювача застосовувався кріоліт. Рецептура таких кругів наведена в таблиці 4

Таблиця 4

№ п/п	Рецептура в м.ч. та властивість	Об’ємний склад зерна (пористість) %
		46	46	48,5	46
		25	30	28,3	33
1.	КЧ 80	50	50	50	50
2.	КЧ 50	50	50	50	50
3.	Рідкий бакеліт	7,8	6,9	6,5	6,1
4.	Кріоліт	11,8	9,9	10	8,6
5.	Пульвербакеліт	12	9,5	8	8,2
6.	Об’ємна маса сирого круга, г/см^3	1,93	1,85	1,92	1,81
7.	Твердість по піскоструйному приладу	СТ 2	СТ 1	СТ 1	С 2
8.	Розривна швидкість м/с	125	125	125	125

В результаті проведених досліджень розроблені абразивні круги для роботи зі змочуванням водою з об’ємним складом зерна 46%, пористістю 33% і зернистістю 80/50. Виготовлені круги ефективно застосовувати для різання порід будь-якої абразивності, міцність яких не перевищує 25 МПа. По мірі її збільшення зерно затуплюється при меншій кількості ударних навантажень, що негативно впливає на самозагострення і, як наслідок, стійкості абразивного армованого круга.

На подальшому етапі досліджень була поставлена задача з розробкою абразивних армованих кругів, які будуть ефективно виконувати роботу різання високоабразивних матеріалів, міцність яких значно вище 25 МПа. Для досягнення таких цілей проводились дослідження впливу теплових процесів, що виникають як між поверхнею абразивних армованих кругів та оброблюваним матеріалом, так і теплові процеси, що проходять в самій зв’язці круга. Особлива увага приділялась тепловим процесам, що проходять на границі абразивного зерна зі зв’язкою, що суттєво впливає на вивільнення затуплених зерен.

Затуплені абразивні зерна викришуються з полімерної матриці так як виконується умова

(2)

де – максимальна напруга, що виникає в основі зерна, МПа; , - нормальна і тангенціальна складова зусилля різання , Н ; , х – параметри, які характеризують зерно,м; – глибина заглиблення зерна, м; – міцність зв’язки круга.

Розповсюдження тепла в абразивному інструменті визначалось із рішення диференціального рівняння

(3)

де: – універсальне розподілення температур в крузі; - точне розподілення температур в крузі, К; – температура в зоні контакту, К; – змінна подібності для розподілу температури в крузі; – коефіцієнт температуропровідності в крузі, м2; – час відрізання; – відстань, на яку розподіляється температура, м.

Термічне зношення має місце при умовах, що температура на границі “зерно-звязка” досягла або перевищила температуру руйнування зв’язки круга.

Виходячи з цього ,де – глибина проникнення температури в круг; – максимальний розмір зерна.

Глибина проникнення температури в круг оцінюється з залежності

(4)

де: – функція обернена; – теплостійкість зв`язки круга, К; – температура навколишнього середовища, К.

В процесі дослідження визначено, що величина температур на границі “зерно-звязка”, яка забезпечує термомеханічний знос круга, повинна бути 400-500К. Виходячи з цього, було запропоновано використовувати модифікатор полімерної матриці. Для цього вибирались речовини, теплостійкість яких не перевищувала вказаних температур: полівінілацетат (ПВА) – 304К, полівініловий спирт (ПВС) 413К, полівінілформаль (ПВХ) – 365К, полівінілбутіраль (ПВБ) – 325К.

На першому етапі вони вводилися безпосередньо в склад абразивної маси після зволоження рідким бакелітом зерна. Виготовлені по такій технології круги під час випробовувань показали нестабільну роботу, так як не самозагострюються в процесі різання.

В зв’язку з цим був розроблений новий спосіб виготовлення абразивних армованих кругів, який заключається в тому, що абразивні зерна попередньо покриваються 19-20% водяним розчином полівінілацетату в співвідношенні 0,8-5,4 г. розчину на 1 кг. зерна, який рівномірно розподілявся по поверхні зерен. При різанні кругами, виготовленими згідно з розробленою нами технологією, одночасно з механічним викришуванням абразивних зерен з полімерної матриці відбувається і її термічне руйнування, тобто механізм зносу термомеханічний.

Круги, модифіковані полівінілацетатом, працюють з самозагостренням і дозволяють виконувати різання гірських порід і вогнетривів міцністю до 60 МПа.

Після проведених досліджень та отриманих результатів була подана заявка № u 2012 03848 на корисну модель під назвою “Спосіб виготовлення абразивного інструменту”.

Література:

1. Абрашкевич Ю.Д. Исследования абразивного инструмента для резания горных пород: дис. на здобуття канд. тех. наук./ Ю.Д.Абрашкевич – Москва 1971 – 153с.

2. Левицкий Е.Ф. Иследования режимов работы абразивного диска при нарезании швов в бетонном покрытии. Труды СоюздорНИИ, выпуск 9, Москва 1966.