СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ УДАРА ЗЕРЕН О ПРЕГРАДУ
METHOD OF DETERMINING IMPACT FORCE OF GRAINS ON BARRIER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения параметров удара о преграду зерен алмазно-абразивных порошков, имеющих неправильные геометрические формы.
Известен способ определения усилия внедрения бойка, согласно которому боек, состоящий из наконечника и стержневой части, соударяется в испытательной установке с преградой и регистрируют параметр, по которому рассчитывают усилие внедрения. Известный способ учитывает волновые процессы в бойке, для чего по неподвижно установленному в испытательной установке бойку ударяют преградой путем сообщения последней заданной скорости разгона. В качестве параметра, по которому рассчитывают усилие внедрения, измеряют упругую деформацию поверхности стержневой части бойка, размеры которой (длину и площадь поперечного сечения) выбирают из соотношений, предусматривающих учет физико-механических свойств бойка и подвижной преграды [Способ определения усилия внедрения бойко. - а.с. СССР №1040353, G01L 5/00. Авторы: Г.В. Степанов и А.П. Ващенко.].
К недостаткам известного способа относится сложность его осуществления, что снижает достоверность получаемых результатов. Кроме того, данный способ можно использовать в основном при динамических испытаниях конструкционных материалов и он не пригоден для определения силы удара о преграду зерен алмазно-абразивных порошков, поскольку в способе используется боек, размеры которого позволяют монтировать на нем тензорезисторы. В то же время зерна порошковых материалов имеют геометрически неправильную форму, а также небольшие размеры, что исключает возможность установки на них тензорезисторов.
Известна установка для отбора зерен повышенной прочности, принцип работы которой заключается в следующем. Зерно, летящее с определенной скоростью, определяемой заданным уровнем прочности, однократно ударяется о неподвижную жесткую преграду. При этом зерна, обладающие пониженной прочностью, должны разрушаться. Эти действия должны привести к общему увеличению прочности абразивного материала [Перемыщев В.В. Повышение эффективности работы абразивного инструмента для силового шлифования путем увеличения прочности абразивного материала: диссертация… кандидата технических наук: 05.03.01. - Волжский, 2002. - 138 с.].
В этой работе приводится соотношение для определения силы удара, в которое входят такие параметры, как ударный импульс и время удара.
В свою очередь, чтобы определить ударный импульс и время удара, необходимо знать скорость зерна, с которой оно соударяется с неподвижной жесткой преградой, и коэффициент восстановления для соударяющихся тел после центрального удара (коэффициент восстановления учитывает массу зерен, разрушенных ударом). То есть для определения силы удара зерен о преграду необходимо их разрушать, при этом значения силы удара, разрушившей зерна, которые в исходном состоянии имеют различные прочностные характеристики, остаются неизвестными. Кроме того, отсутствие возможности заранее установить режим обработки, обеспечивающий заданную величину прилагаемой к зерну силы удара, разгоняемому струей сжатого воздуха, приводит к повреждению качественных зерен алмазно-абразивного шлифпорошка, т.е. зерен, имеющих повышенные физико-механические свойства по сравнению с остальными.
Известен также способ определения прочности на удар абразивных зерен. Согласно данному способу, навеску абразивных зерен разрушают ударным воздействием нагрузки, например, разгоняют зерна в струе сжатого воздуха, ударяют их о жесткую преграду, а затем определяют характеристику навески после разрушения зерен, по которой судят о прочности зерен на удар. При этом дополнительно определяют площадь суммарной поверхности зерен навески до и после разрушения и рассчитывают количество энергии, затраченной на разрушение, а в качестве характеристики навески используют отношение количества энергии, затраченной на разрушение, к приращению площади суммарной поверхности зерен после разрушения [Способ определения прочности на удар абразивных зерен. - а.с. СССР №249713, G01n, Розин К.].
Осуществление указанного способа предполагает разрушение навески зерен, имеющих различные прочностные свойства. При этом зерна, имеющие пониженные механические свойства, разрушаются до достижения максимального значения силы удара, обусловленной скоростью соударения с преградой. Это приводит к тому, что остается «неучтенная» сила, которая равна разности между силой, возникающей в момент соударения зерна с преградой и зависящей от его скорости, и прочностью самого зерна. Попытка разрушить определенную навеску порошка приводит к завышению значений прочности зерен при обработке их по известному способу.
Задачей предлагаемого изобретения является определение силы удара о преграду зерен алмазно-абразивных порошков, имеющих неправильную геометрическую форму, что позволяет создать управляемый процесс классификации зерен по прочности, а следовательно, прогнозировать срок службы алмазно-абразивных инструментов.
Технический результат достигается за счет того, что зерна разгоняются в струе сжатого воздуха, на пути которых устанавливают перпендикулярно траектории их движения жесткую преграду из материала, имеющего соответствующую твердость. В результате соударения зерен с преградой на последней образуются достаточные для заполнения пластичным материалом отпечатки, которые в зависимости от скорости зерен и зернистости алмазно-абразивного порошка имеют различную глубину и форму.
Чтобы организовать управляемый процесс выбраковки зерен из партии шлифпорошка, имеющих пониженные физико-механические свойства, необходимо знать прилагаемую к зерну силу удара о преграду. При этом для определения силы удара о преграду зерна следует нагружать силой, которая меньше минимального значения усилия разрушения зерна, полученного предварительно в эксперименте по определению прочности зерен на сжатие.
Для осуществления предлагаемого способа выполняют следующие действия:
1. Предварительно определяют прочность зерен на сжатие, отобранных из подлежащей обработке партии алмазно-абразивных порошков, чтобы установить минимальное значение прочности зерен.
1
2. Определяют на аналитических весах массу преграды m, на которой имеются отпечатки, образовавшиеся от соударения зерен с преградой.
3. Заполняют отпечатки заподлицо с рабочей поверхностью преграды пластичным материалом, плотность которого известна.
2
4. Вторично взвешивают преграду, на которой имеются заполненные пластичным материалом отпечатки, и определяют ее массу m. Заполненные отпечатки после каждого эксперимента сошлифовывают для получения заново чистой рабочей поверхности преграды.
5. Определяют массу пластичного материала, находящегося в отпечатках:
2
1
m=m-m.
6. Определяют средний объем отпечатков, который зависит (для данной зернистости) от силы удара зерна о преграду:
3
где ρ - плотность пластичного материала, мг/мм;
n - число заполненных отпечатков на рабочей поверхности преграды.
7. Строят график зависимости Р-V (фиг. 1),
где Р - различные давления струи сжатого воздуха, МПа;
3
V - средний объем отпечатков, мм.
8. Устанавливают ту же преграду на приспособление для определения прочности зерен на сжатие и прикладывают к ним различные по величине силы, недостаточные для их разрушения.
9. Для различных по величине усилий нагрузки зерен повторяют пп. 2…6.
10. Строят график зависимости Р-V (фиг. 2),
где Р - различные по величине усилия нагрузки зерен, Н/зерно;
3
V - средний объем отпечатков на рабочей поверхности преграды, соответствующий этим усилиям, мм.
11. Сравнивают два графика (фиг. 1 и фиг. 2) по среднему объему одного отпечатка и определяют искомую силу удара зерен алмазно-абразивных порошков о преграду в зависимости от давления (скорости) струи сжатого воздуха, их геометрических размеров и формы.
3
Предлагаемый способ был реализован в экспериментах по обработке синтетических поликристаллических кристаллов алмаза марки АРС-4 зернистости 1600/1250. Кристаллы алмаза разгоняли в струе сжатого воздуха, подаваемого в транспортирующую трубку с внутренним диаметром 7,5 мм. При этом давление сжатого воздуха варьировали на входе трубки: 4, 6, 8 и 10 атм (соответственно 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0 МПа). Расстояние от сопла транспортирующей трубки до преграды составляло 40 мм, а ее длина - 960 мм. Преграда была изготовлена в виде правильной призмы с рабочей поверхностью 20×30 мм из алюминиевого сплава, твердость которого была 79НВ. Массу преграды определяли на аналитических весах WA-21. В качестве пластичного материала для заполнения отпечатков на рабочей поверхности преграды использовали пластилин, плотность которого была предварительно определена экспериментальным путем (ρ=1,41 мг/мм).
Число отпечатков на рабочей поверхности преграды было различным (от 20 до 35) в зависимости от давления струи сжатого воздуха (при разгоне зерен) и силы их нагрузки (при использовании приспособления для определения прочности кристаллов на сжатие). При этом, чем было меньше давление сжатого воздуха и сила нагрузки зерен, тем было больше отпечатков на рабочей поверхности преграды, что позволило уменьшить погрешность эксперимента.
Приспособление для определения прочности зерен на сжатие выполнено таким образом, что позволяет перемещать преграду в продольном и поперечном направлениях. Это дает возможность получать на рабочей поверхности преграды необходимое количество отпечатков и исключить возможность их совмещения.
-2
3
На фиг. 3 и 4 представлены результаты экспериментов - соответственно зависимости среднего объема отпечатков от давления струи сжатого воздуха и усилия нагрузки зерен. Сравнивая средние объемы отпечатков, полученные двумя различными способами, определяют силу удара о преграду зерен, разгоняемых в струе сжатого воздуха. Например, если давление струи сжатого воздуха в эксперименте составило 0,9 МПа (фиг. 3, штриховая линия), то средний объем отпечатков будет равен 4,1×10 мм. Используя это значение, а также график зависимости, представленный на фиг. 4, определяют силу удара, которая при давлении сжатого воздуха 0,9 МПа составила 253 Н.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить силу удара о преграду зерен алмазно-абразивных порошков, что дает возможность создания управляемого процесса классификации зерен по прочности. Способ прост в реализации, не требует наличия сложной и дорогой измерительной аппаратуры и может быть использован в технологических процессах изготовления и контроля зерен алмазно-абразивных порошков. Кроме того, способ может быть также использован и в других отраслях промышленности, где возникают задачи по определению параметров взаимодействия тел при ударе.