МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗЕРЕН ШЛИФОВАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ С УЧЕТОМ КОЛЕБАНИЯ ЗЕРНОВОГО СОСТАВА

Рельеф рабочей поверхности абразивного инструмента (РП АИ) является одним из ключевых факторов, определяющих силу резания, режущую способность, износостойкость абразивного инструмента и, в конечном счете, качество обработанной поверхности при окончательной обработке ответственных деталей машин [1-4]. Для прогнозирования указанных параметров с целью управления процессом обработки исследователи прибегают к моделированию рельефа РП АИ, при котором задаются, в том числе, геометрической моделью абразивного зерна (например, эллипсоид трехосный, цилиндр, шар, конус со сферической вершиной и др.)

Обоснованный выбор соответствующей модели зерна определяется геометрическими параметрами абразивных зерен, которые включают в себя длину, ширину, толщину, площадь и периметр, коэффициенты формы, количество вершин, их угол заострения, радиус закругления и др. Анализ этих и множества других геометрических параметров с использованием специального ПО стал возможен в связи с существенной автоматизацией методики оптической микроскопии геометрических размеров зерен [5, 6]. Тем не менее, оптическая микроскопия не является экспресс-методом определения геометрических параметров зерен, поэтому не применяется для контроля зернового состава порошков в абразивном производстве.

Действующим методом контроля размеров зерен шлифпорошков является ситовой анализ,  регламентируемый в РФ с 1959 года четырьмя стандартами: ГОСТ 3647–59, ГОСТ 3647–71, ГОСТ 3647–80, ГОСТ Р 52381–2005. В последнем стандарте с учетом требований ISO 3310-1:1990, ISO 8486-1:1996, ISO 6344-2:1998, ISO 9284:1992 произошел переход на дюймовую шкалу классификации размеров зерен, поэтому изменились размеры ячеек сит при рассеве порошков на производстве и, соответственно, размеры ячеек контрольных сит.

В настоящее время стандартизован и широко применяется экспресс-метод контроля размеров зерен – лазерная дифракция (ISO 13320:2009), что позволило ввести новый геометрический параметр – эквивалентный диаметр, равный диаметру сферы, соответствующий измеренному объему частицы. Однако за пределами данного метода остаются другие актуальные геометрические параметры шлифовальных порошков [7-9].

В связи с этим целью работы является определение геометрических параметров зерен шлифовальных порошков различными методами с использованием последних достижений в области метрологии шлифовальных порошков и установление функциональных связей между ними.

Рассев шлифпорошков карбида кремния черного производства ОАО «Волжский абразивный завод» различных зерновых составов показал, что зерновой состав всех  анализируемых шлифовальных порошков соответствует ГОСТ Р 52381-2005. Выполнены измерения геометрических размеров зерен шлифовальных порошков, каждый из которых соответствует ГОСТ Р 52381.  Измеряли следующие геометрические параметры зерен – длину l, ширину b, периметр P, площадь S, приведенный диаметр d, эквивалентный диаметр D, коэффициент изометричности b/l. Экспериментальную плотность распределения fэ геометрических параметров определяли для 600-1000 зерен каждой фракции и около 5000 зерен каждой зернистости, не рассеянной на фракции.

Установили, что средние размеры зерен шлифпорошков одной и той же зернистости, но различного зернового состава, по критерию Стьюдента значимо отличаются, что приводит к необходимости использования индивидуальных зависимостей для их связи с W. В этом случае предпринята попытка исследования связей геометрическим размеров с D_m – средним эквивалентным диаметром, целесообразность введения которого обосновывается экспресс-методом его определения. Кроме того, установлено, что для связи размеров зерен с D_m даже в случае различного зернового состава порошков может быть использована одна и та же зависимость. Зависимости средних геометрических размеров зерен для зернистостей F60-F180 и дисперсий от D_m, имеют наименьшую дисперсию неадекватности среди всех рассмотренных зависимостей, поэтому они были приняты для дальнейшего моделирования. Таким образом, найден более общий вариант взаимосвязи между геометрическими параметрами зерен.

Средние арифметические значения геометрических размеров зерен зернистостей F60-F180 функционально связаны с соответствующими средними значениями D_m:

(1)

Дисперсия распределений геометрических размеров зерен зернистостей F60-F180 функционально связаны с соответствующими средними значениями D_m:

    (2)

Коэффициент достоверности аппроксимации зависимостей (1) составляет 0,98-0,99, зависимостей (2) 0,92-0,98.

Теоретическая плотность распределения геометрических параметров зерен определенной зернистости f_т рассчитывалась по следующей формуле:

     (3)

где i – номер фракции,

Q_i – массовая доля порошка i-й фракции, (зерновой состав, %);

f_i – теоретическая плотность распределения геометрического параметра зерен i-й фракции, определенная по соответствующему закону распределения: для параметров l, P, S, D – логарифмически нормальный, b, d – нормальный.

Сравнение распределений всех исследованных в работе геометрических размеров зерен по критерию Пирсона показало, что различие расчетных и экспериментальных распределений зернистости является незначимым.  Данный факт свидетельствует о возможности описания распределений геометрических размеров зерен в зернистости с помощью разработанных математических моделей.

1. Вульф А.М. Особенности работы шлифовальных кругов из абразивного зерна разной формы / А.М. Вульф, А.В. Мурдасов // Абразивы, 1967. №4. С. 34-38
2. Bahadur S., Badruddin R. Erodent particle characterization and the effect of particle size and shape on erosion // Wear, 1990. V.138. P. 189-208.
3. Ghobeity A. An analytical model of the effect of particle size distribution on the surface profile evolution in abrasive jet micromachining / A. Ghobeity, D. Ciampini, M. Papini // Journal of materials processing technology, 2009, V. 209, P. 6067-6077.
4. Tressia G. Effect of abrasive particle size on slurry abrasion resistance of austenitic and martensitic steels /  G. Tressia, J.J. Penagos, A. Sinatora // Wear, 2017, V. 376-377, P. 63-69.
5. Fang S. Surface topography quantification of superhard abrasive tools by laser scanning microscopy / S. Fang, L. Llanes, M. Engstler et al. // Materials Performance and Characterization, 2016. V.5, №.5. P. 796-815.
6. Jia D.W. et al. Identification and measurement of superabrasive shapes // International journal of computer applications in technology, 2007. V. 29. №2-4. P. 137-140.
7. Kaye B. H. The Effect of Shape on Intermethod Correlation of Techniques for Characterizing the Size Distribution of Powder. Part 1: Correlating the Size Distribution Measured by Sieving, Image Analysis, and Diffractometer Methods / B. H. Kaye, D. Alliet, L. Switzer, C. Turbitt-Daoust // Part. Part. Syst. Charact., 1997. V14. P. 219-224.
8. Kelly R. N. Graphical Comparison of Image Analysis and Laser Diffraction Particle Size Analysis Data Obtained From the Measurements of Nonspherical Particle Systems / R. N. Kelly, K. J. DiSante, E. Stranzl, J.A. Kazanjian et al. // AAPS PharmSciTech. 2006. V7. №3. https://doi.org/10.1208/pt070369 .
9. Носенко В.А. Статистические параметры геометрических размеров зерен микрошлифпорошков карбида кремния / В.А. Носенко, И.А. Макушкин, А.А. Шегай// Известия ВолгГТУ. Сер. Прогрессивные технологии в машиностроении: межвуз. сб. науч. ст. – Волгоград: ВолгГТУ, 2011. Вып. 7,  № 13. – C. 32-34.

Все статьи автора «Александров Алексей Александрович»