Спосіб визначення відносної об’ємної концентрації алмазних зерен в ріжучому шарі виготовленого круга

Реферат: Винахід належить до методів діагностики технологічних характеристик абразивних кругів, зокрема - об'ємної концентрації алмазних зерен в їх ріжучому шарі, і може бути застосований в процесах алмазно-абразивної обробки. У способі визначення відносної об’ємної концентрації алмазних зерен в ріжучому шарі виготовленого круга величину відносної об'ємної концентрації алмазних зерен в ріжучому шарі виготовленого круга визначають за вагою алмазного порошку, передбаченого для використання в ріжучому шарі інструментуа, та загальним об'ємом його ріжучого шару. Вагу алмазного порошку та загальний об'єм ріжучого шару визначають за плоским зразком ріжучого шару виготовленого круга, як плоский зразок використовують плоский шліф ріжучого шару правильної (прямокутної) форми, а вагу алмазного порошку та загальний об'єм ріжучого шару знаходять за площею зрізів алмазних зерен на електронній фотографії шліфа та його розмірами. Забезпечується отримання більш вірогідної інформації з об'ємної концентрації алмазних зерен в їх ріжучому шарі виготовленого круга. UA 100644 C2 (12) UA 100644 C2 UA 100644 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до методів діагностики технологічних характеристик абразивних кругів, зокрема - об'ємної концентрації алмазних зерен в їх ріжучому шарі. Об'ємна концентрація алмазних зерен в ріжучому шарі круга є важливою характеристикою, на основі якої здійснюється оптимізація експлуатаційних параметрів процесу алмазно-абразивної обробки. Відомий спосіб визначення об'ємної концентрації алмазних зерен в ріжучому шарі круга за вагою алмазного порошку, передбаченого для виготовлення інструмента, та за загальним об'ємом його ріжучого шару (див. Бакуль В. Н., Захаренко И. П., Кункин Я. А., Мильштейн М. 3. Справочник по алмазной обработке.- Киев: Техника, 1971-208 с). Значення об'ємної концентрації алмазних зерен в ріжучому шарі круга обчислюється за формулою 100 A (1) K 4,4V 3 де A - вага алмазів, карат; V - об'єм алмазного шару, см ; K - концентрація алмазів, %; 4,4 - вміст алмазу в 1 см3 робочого шару (в каратах), яке приймається за концентрацію, рівну 100 %. Недоліком такого способу визначення об'ємної концентрації алмазних зерен в ріжучому шарі круга є те, що він може бути застосованим лише до інструмента, який проектується, тобто на стадії, що передує процесу його виготовлення. Однак на практиці дуже часто виникають ситуації, коли необхідно встановити відносну об'ємну концентрацію зерен алмазного порошку в ріжучому шарі вже виготовленого круга. Вагова кількості поміщеного в його ріжучий шар алмазного порошку в таких випадках зазвичай невідома. І якщо об'єм алмазного шару певним чином ще можна обрахувати, то за відсутності ваги використаного при виготовленні круга алмазного порошку встановлення об'ємної концентрації алмазних зерен в його ріжучому шарі за таким способом неможливе. Відомий спосіб безпосереднього визначення ваги алмазного порошку, який міститься у ріжучому шарі виготовленого круга, шляхом видобування з нього алмазних зерен методом рекуперації і наступного їх зважування (див. "Порошки и пасты из синтетических алмазов" / Ю. И. Никитин, С. М. Уман, Л. В. Коберниченко и др. - Киев: Наук. думка, 1992.-284 с). Для визначення відносної об'ємної концентрації зерен алмазного порошку в ріжучому шарі уже виготовленого круга таким способом процедуру рекуперації слід застосувати не до всього ріжучого шару, а до попередньо виготовленої його просторової (тривимірної) моделі-зразка. Форма такої моделі-зразка ріжучого шару вибирається такою, яка була б простою у виготовленні і дозволяла б наступне розрахункове визначення її об'єму. Видобутий із моделізразка ріжучого шару алмазний порошок зважується. Володіючи інформацією з об'єму моделізразка і ваги видобутого з нього алмазного порошку за формулою (1), можна розрахувати відносну об'ємну концентрацію зерен алмазного порошку в ріжучому шарі всього круга. Таке визначення буде найбільш точним, але практична його реалізація є дуже дорогою у вартісному відношенні та тривалою за часом процедурою. Відомий найбільш близький за технічною суттю до винаходу спосіб визначення об'ємної долі (наприклад, зерен у металах зернистої структури, неметалевих включень у сталі, пор у спечених матеріалах) за площею чи лінійним розміром їх зображень, отриманих у той чи інший спосіб, так званий планіметричний метод або метод випадкових січних (див. Чернявский К. С. Стереология в металловедении. - М.: Металлургия, 1977.-279 с). Він передбачає вирізання із досліджуваного матеріалу моделі-зразка у формі куба і визначення (в аналітичному чи дискретному вигляді) загальної площі послідовних перетинів (зрізів, які ще називають плоскими шліфами) куба площинами, паралельними одній із його граней. Основним недоліком способу визначення об'ємної долі є низька адекватність (правдоподібність) отримуваних значень цієї характеристики досліджуваного матеріалу. Це зумовлено тим, що при визначенні об'ємної долі зернистої фази оперують не об'ємами дисперсної фази і моделі-зразка, а загальною площею перерізів зерен і площею плоского шліфа. У разі використання лінійного розміру перетинів і лінійного розміру шліфа неадекватність буде ще більшою. Та й саму процедуру практичної реалізації випадкових перетинів куба послідовними площинами, паралельними одній із його граней, не можна вважати раціональною. Як зазначається автором цитованої вище роботи, такий спосіб визначення об'ємної долі(а по суті і відносної об'ємної концентрації) є вкрай трудомістким і навряд чи може бути рекомендованим для застосування не тільки в практиці контролю, а навіть і в дослідницьких цілях. В основу винаходу поставлена задача такого удосконалення способу визначення відносної об'ємної концентрації зерен алмазного порошку в ріжучому шарі виготовленого круга, при якому як плоский зразок використовують плоский шліф ріжучого шару правильної (прямокутної) форми, а вагу алмазного порошку та загальний об'єм ріжучого шару визначають за площею зрізів алмазних зерен на електронній фотографії шліфа та його розмірами. 1 UA 100644 C2 5 10 15 20 25 30 Означена задача вирішується завдяки тому, що у способі визначення відносної об'ємної концентрації зерен алмазного порошку в ріжучому шарі виготовленого круга, пропонується не обмежуватись вимірюванням площ перетинів зерен які виходять на поверхню шліфа ріжучого шару круга, а з їх допомогою встановлювати значення об'єму зерен. Як просторову модельзразок ріжучого шару пропонується використовувати не куб, а паралелепіпед, основою якого є плоский шліф ріжучого шару. Якщо проводити аналогію з прототипом, то це рівнозначно тому, що виконують лише один перетин куба. Вагу алмазного порошку в такому разі можна визначати за загальним об'ємом зерен, які виходять на поверхню шліфа, та за питомою вагою матеріалу порошку (в даному випадку алмазу). Форма зерен приймається сферичною. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється, і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає в наступному. Визначення об'ємної долі зерен за загальною площею їх зображень і площею шліфа у способі за прототипом засновано на так званому принципі Кавальєрі-Акера. Цей принцип постулативно стверджує, що відносний 3 2 вміст (доля) тієї чи іншої фази в 1 мм сплаву і на 1 мм площі шліфа повинен бути одним і тим же. Тому, ґрунтуючись на цьому принципі в металографічних дослідженнях, зв'язують суму об'ємів зерен в 1 мм сплаву з сумою площ всіх перетинів зерен на 1 мм площі шліфа, прирівнюючи ці суми. Залишаючи в стороні сферу металографічних досліджень, зазначимо, що правомірність застосування цього принципу до композиційного матеріалу, яким є ріжучий шар алмазного круга, виглядає сумнівно. Річ у тім, що ріжучий шар круга як композиційний матеріал "зв'язка-алмазний порошок" має свою структурну специфіку. Ця специфіка полягає в тому, що в кількісному відношенні зв'язка значно переважає алмазні зерна. Тому останні, образно кажучи, "розкидані" по об'єму зв'язки, тобто між зернами існує відносно велика відстань. На відміну від цього зерна в металах і сплавах розміщені значно компактніше. Більше того, вони, як правило, контактують між собою і тому проміжків між ними відсутні, тобто вони утворюють суцільне середовище. А якщо і є проміжки, то дуже невеликі. Щойно сказане ілюструється прикладом. Нехай маємо зразок ріжучого шару круга у формі куба з стороною а і цьому об'ємі знаходиться всього лише одне алмазне зерно у формі сфери, яке торкається всіх граней куба, тобто є вписаним в куб. Діаметр такої сфери, як просторово-геометричної форми зерна, буде рівним також а. Безпосередньо вирахуваний відносний об'єм Vv зерна у такому випадку буде рівним відношенню об'ємів зерна (V3) і куба (VK) Vv  Vз a3     0,52 . Vк 6a3 6 (2) Перетнемо куб площиною, яка проходить через центр сфери, і паралельна верхній і нижній 35 2 граням куба. Перерізом зерна у такому випадку буде центральний круг площею Sз  a / 4 Зазначимо, такий перетин куба дає максимальну площу перерізу зерна. Площа грані куба SK 2 дорівнює a . Складуючи відношення S3 до SK, матимемо Ss  40 45 50 Sз a2     0,79 . Sк 4a2 4 (3) Згідно принципу Кавальєрі-Акера мали б отримати Vv/Ss.= 1. Насправді ж маємо Vv/Ss. = 0,66. Як бачимо, відносна похибка заміни суми об'ємів зерен сумою площ всіх їх перетинів складає 51,92 %. Зазначимо, що вказана похибка є мінімальною, оскільки вона отримана з умови максимальної площі перерізу зерна та максимально щільного укладання зерен. Якщо взяти не центральний, будь-який інший перетин зерна, то його площа буде меншою, внаслідок чого похибка збільшиться. Насправді вона буде більшою ще і тому, що більш справедливіше було б виходити із шліфа не у формі квадрата із стороною а, а у формі прямокутника із сторонами а і в, причому в > а. ПРИКЛАДИ реалізації запропонованого способу визначення відносної об'ємної концентрації зерен алмазного порошку в ріжучому шарі виготовленого круга. Проводилось тестове визначення відносної об'ємної концентрації зерен алмазного шліфпорошку в ріжучому шарі виготовленого круга відомим способом і запропонованим способом згідно з винаходом. Для цього було виготовлено експериментальний шліфувальний круг у формі 12А2-20 з посегментно (два типи циліндричних сегментів по 3 шт. кожного типу) виконаним ріжучим шаром. Сегменти загальною кількістю 6 шт. були ідентичними за геометричними параметрами і відрізнялись один від одного лише загальною ваговою кількістю (А) поміщеного у них шліфпорошку. В першому випадку ця кількість складала 29 карат, в другому - 43,5 карат. Надалі умовно іменуватимемо їх сегментами типу А та сегментами Б типу 2 UA 100644 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 відповідно. Згідно із цим можемо записати АА = 29 карат, АБ = 43,5 карат. Тут і в подальшому нижній індекс вказує на сегмент ріжучого шару круга, до якого належить відповідна величина чи параметр. Виходячи із геометричних параметрів ріжучого шару (зовнішній діаметр 150 мм, внутрішній - 130 мм, висота 3 мм), його загальний об'єм Vш становив 3 3 3 Vш  (150 2  130 2 )  (150  130 )(150  130 )  280 x 20  15 x 280   13194 ,68мм3 . 4 4 4 3 3 Половину цього об'єму, тобто 6597,34 мм або 6,59734 см , складають сегменти А і стільки 3 ж сегменти Б. Підставляючи у формулу (1) А = 29 карат, V=6,597 см після відповідних обчислень отримуємо, що відносна об'ємна концентрація алмазного шліфпорошку у сегментах 3 типу А (КА) становить 99,9 %. Аналогічним чином для А = 43,5 карат і V=6,597 см знаходимо відносну об'ємну концентрацію алмазного шліфпорошку у сегментах типу Б (К Б), рівну 149,9 %. Потім проводили визначення відносної об'ємної концентрації алмазного шліфпорошку у ріжучому шарі такого виготовленого круга різними способами, а саме: 1) способом згідно з винаходом, що заявляється; 2) способом згідно з прототипом, який ґрунтується на принципі Кавальєрі-Акера. На першому етапі такого опосередкованого визначення виготовляли плоскі шліфи сегментів А і Б розміром 10500 × 7600 мкм кожний. Проводили електронне фотографування цих шліфів. Отримані фотографії показані на рис. 1 (позиції а та б відповідно). З використанням сучасних комп'ютерно-програмних засобів проводили корегування цих фотографії. Мета цієї процедури полягала в тому, щоб по перше вилучити із фотографії ті об'єкти, які схожі на зображення зерен, але не є ними. Крім того, фону фотографії, яким є зв'язка, надається білий колір, а темний колір зображення зерен залишається. Відкореговану в такий спосіб електронну фотографію (рис.2, позиції а та б відповідно)у вигляді jpg-файл опрацьовували програмним забезпеченням приладу Dialnspect.OSM, котрий здійснює її цифрову обробку як проби зерен з метою визначення геометричних параметрів проекції зерен, зокрема площі їх проекції. Результати такої обробки електронних фотографій шліфів сегментів типу А та типу Б подаються (див. Додаток, таблиці 1 та 2 відповідно). У першому випадку на фотографії були присутні зрізи 77-и зерен, в другому 99-и зерен. З використанням отриманих даних з площі проекції зрізів зерен та задаючись їх просторовою (3D) формою у вигляді сфери і допущенням про однотипність всіх зерен за розміром здійснюємо екстраполяцію (продовження) плоского зображення зрізів зерен на 3D їх форму. Потім проводили розрахунок об'ємів таких сфер із врахуванням можливих двох варіантів розташування їх у тілі зразка ріжучого шару (в тілі зразка залишилась менша частина зрізаного зерна, рис 3, поз. а; в тілі зразка залишилась більша частина зрізаного зерна, рис 3, поз. б). Знаходимо суму об'ємів всіх зерен. Оскільки ми розглядаємо не весь ріжучий шар круга, а лише окрему його частину, зовнішньою поверхнею якої є шліф, то приймаємо розрахункову модель-зразок ріжучого шару у виді паралелепіпеда. Основою такого паралелепіпеду є шліф, який являє собою прямокутник з розмірами а х в, а його висота дорівнює радіусу сфери, яка відповідає зрізу на шліфі з максимальною площею. Вагу порошку у ріжучому шарі знаходили, як 3 добуток загального об'єму зерен у зразку ріжучого шару на питому вагу алмазу (3,5 г/см ), а об'єму моделі ріжучого шару - як добутку розмірів шліфа і радіуса зерен. Результати визначення відносної об'ємної концентрації алмазного шліфпорошку у ріжучому шарі круга для кожного із двох типів його сегментів подаються (див. Додаток, таблиця 3). Вони одержані шляхом підстановки зазначених вище даних у формулу (1) і наступних обчислень. Порівняльний аналіз показує, що застосування способу згідно винаходу, що заявляється, в 6-7 раз зменшує відносну похибку визначення відносної об'ємної концентрації алмазного порошку в ріжучому шарі круга. Це дозволить більш раціональніше і ефективніше використовувати потенціальні можливості інструмента в процесах алмазно-абразивної обробки. Додатки Таблиця 1 2 Значення площ (в мкм ) зрізів зерен на шліфі сегмента А, отримані на приладі Dialnspect.OSM (N - номер зрізу, s - площа зрізу) N 1 2 3 2 s, мкм 677530 483910 462380 N 20 21 22 2 s, мкм 11534 7758,4 43452 N 39 40 41 50 3 2 S, мкм 657830 105620 25853 N 58 59 60 2 s, мкм 4686,3 468,63 12393 UA 100644 C2 Продовження таблиці 1 2 Значення площ (в мкм ) зрізів зерен на шліфі сегмента А, отримані на приладі Dialnspect.OSM (N - номер зрізу, s - площа зрізу) N 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 s, мкм 10180 423690 254340 224890 605080 113540 48087 195940 2629,5 177270 97553 496750 72065 531480 619610 5024,8 N 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 Сума площ всіх зрізів, мкм 2 s, мкм 24681 197400 25124 553580 420470 5623,6 208280 678970 5649,6 7524,1 15048 13851 202790 660220 599040 112550 N 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 2 S, мкм 8669,7 137750 28847 14866 86046 174690 63343 583730 73809 26686 6821,2 9320,5 24525 18537 211120 9190,4 N 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 2 2 s, мкм 2004,7 81516 744,60 22104 20073 162300 20984 144700 676,91 26478 13668 139700 3931,3 220100 1666,2 16845 36527 12501019 Таблиця 2 2 Значення площ (в мкм ) зрізів зерен на шліфі сегмента Б, отримані на приладі Dialnspect.OSM (N - номер зрізу, s - площа зрізу) N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2 s, мкм 36775 388890 394520 835630 397920 21744 83933 223860 36992 419340 11905 788,23 174230 22587 106360 51507 419660 80127 179200 410420 52784 7991 265550 191190 N 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 2 Сума площ всіх зрізів, мкм 2 s, мкм 5544,8 37889 2256 478240 446950 16553 583260 12965 127450 24082 12068 7039,7 523600 19108 623300 344700 54469 569620 22777 394680 16335 501040 2092,9 67189 387750 N 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 4 2 s, мкм 8942,3 82818 776590 776593 13427 42591 393080 28159 303549 41260 210973 24598, 348396 29382 71022 30360 25767 232663 24163 28838 52240 36856 44005 32589 109320 N 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2 s, мкм 11334 49685 34845 295880 102310 187030 95729 167320 391100 519580 347770 34927 48517 163490 174360 17558 21065 78197 75045 27343 35497 26283 244,62 98284 434,88 16227674 UA 100644 C2 Таблиця 3 Фактичні (Ф) та розрахункові (Р) значення відносної об'ємної концентрації (К, %) алмазного шліфпорошку у ріжучому шарі експериментального шліфувального круга для кожного із двох типів його сегментів і відносна похибка (, %) розрахункових її значень, отриманих способом, що заявляється, і відомим способом. Тип сегмента Показник ріжучого шару відносної Відносна експериментального об'ємної похибка, % шліфувального концентрації круга К, % Об'єкт випробувань Випробовування № п/п Спосіб згідно винаходу, що заявляється 1 А 106,45 6,55 2 Б 161,33 7,78 3 А 62,66 36,69 4 Б 81,34 54,28 5 А 99,91 ---- 6 Б 149,86 ---- Спосіб згідно прототипу Відомий спосіб при відомій ваговій кількості алмазного шліфпорошку в ріжучому шарі круга Примітки Найменша похибка визначення К Задовільна похибка визначення К Велика похибка визначення К Дуже велика похибка визначення К Найбільш точний спосіб визначення К. Приймається як еталон для порівняння з іншими способами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Спосіб визначення відносної об'ємної концентрації алмазних зерен в ріжучому шарі виготовленого круга за вагою алмазного порошку, передбаченого для використання в ріжучому шарі інструмента, та загальним об'ємом його ріжучого шару, який передбачає попереднє вирізання із ріжучого шару виготовленого круга плоских шліфів ріжучого шару, який відрізняється тим, що вирізають плоскі шліфи прямокутної форми з різновеликими сторонами, проводять електронне фотографування цих шліфів, вагу алмазного порошку визначають шляхом цифрової обробки виміру площ зрізів алмазних зерен на електронній фотографії плоского шліфа та задаючись їх просторовою формою у вигляді сфери і допущенням про однотипність всіх зерен за розміром, а загальний об'єм ріжучого шару визначають як добуток розмірів шліфа і радіусу сфери, яка відповідає зрізу алмазного зерна з максимальною площею на шліфі. 5 UA 100644 C2 6 UA 100644 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7