книги из ГПНТБ / Ящерицын, П. И. Шлифование с подачей СОЖ через поры круга

Наконец, пустоты, занимаютие по своим размерам промежуточное положение между кавернами и молеку­ лярными порами, назовем просто порами. Величина пор регулируется весовым содержанием абразива и связки, усилием прессования, а также величиной частиц порооб­ разующего материала, который перед применением измельчается до заданного размера и отсеивается на ситах. Поры образуются вследствие выгорания в процес­ се обжига порообразующего материала и зависят от силы прессования.

Поры могут быть либо сообщающимися, либо несооб­ щающимися. Сообщающиеся поры образуются в том случае, когда порообразующий материал является выго­ рающим органическим веществом, например уголь, дре- ‘весная мука. Несообщающиеся поры могут образоваться при использовании в качестве порообразующего мате­ риала невыгорающего минерального вещества, например двуводного гипса (CaS04-2H20 ). В данном случае в процессе обжига двуводный гипс разлагается, продукт разложения остается в шлифовальном круге и образует пору только при последующем его выкрошивании в про­ цессе работы круга.

Течение СОЖ в пористых шлифовальных кругах воз­ можно лишь в том случае, когда по крайней мере неко­ торые из пор сообщаются между собой и имеют выход на внешние поверхности. Сообщающиеся поры образуют

активное поровое пространство, все поры — общее поро­ вое пространство.

Сообщающиеся поры в основном являются проницае­ мыми, но в отдельных случаях могут быть и непроницае­ мыми (тупиковыми). При этом с изменением направле­ ния движения СОЖ тупиковые поры могут стать нету­ пиковыми, проницаемыми. В свою очередь проницаемые поры делятся на:

1)канальные, крупные (с характерным размером бо­ лее 5 мкм), соединенные друг с другом и образующие непрерывный извилистый канал;

2)неканальные (мертвые пространства и мелкие с характерным размером менее 5 мкм), частным случаем неканальных пор являются молекулярные;

3)капиллярные и некапиллярные.

Классификация пор по происхождению и морфологии представляется в следующем виде:

30

1. Технологические поры, образующиеся главным об­ разом при приготовлении абразивной массы и прессова­ нии шлифовальных кругов: межзеренные поры — прост­ ранства между соприкасающимися посредством связки абразивными зернами; сводовые поры — пространства между группами абразивных зерен, образующих своды (характерны для мелкозернистых кругов открытой структуры № 9—18); перепрессовочные трещины (поры расслоения) образуются из-за чрезмерно большого уси­ лия прессования или из-за нарушения рецепта по клея­ щему веществу в шихте.

2.Технологические поры, образующиеся при обжиге шлифовальных кругов: усадочные трехмерные микро­ трещины; сушильные трещины; поры, образующиеся вследствие выгорания порообразующего вещества и миг­ рации газа.

3.Диффузионные и капиллярные поры, образующиеся при обжиге в результате диффузионных процессов и миг­ рации газов.

Образование сводовых пор зависит от качества сме­ шения и прессования абразивной массы. Они получаются

врезультате сводообразования и представляют собой полости, заключенные как бы в оболочку из мелкозерни­ стого абразива и связки и связанные с остальной систе­ мой пор большим количеством более мелких пор. Хоро­ шим способом обеспечения равномерных по размеру пор служит вибрация при смешении абразивной массы и прес­ совании шлифовальных кругов.

Щелевидные поры имеют два основных измерения, возникают они вследствие усадки промежуточного мате­ риала (керамической связки) между безусадочными аб­ разивными зернами, причем чаще в тех случаях, когда крупные абразивные зерна имеют несколько промежуточ­ ных размеров.

Канальные поры непрерывны, имеют извилистое русло и образуются благодаря миграции газов, которые появля­ ются вследствие выгорания порообразующего и других го­ рючих материалов при обжиге кругов.

Эффективность охлаждения через поры круга при прочих равных условиях определяется не столько общим объемом сообщающихся пор, сколько их видом, функ­ циональным значением, размером и другими особенно­ стями структуры круга.

31

3. Пористость и ее измерение

Пористостью шлифовального круга является доля его общего объема, приходящаяся на поры и определяемая но формуле

Она представляет собой безразмерный параметр.

Так как часть общего объема круга, в которой нет пор, занята абразивными зернами и связкой, то отсюда следует, что

V

Можно определить две пористости: абсолютную, или общую, и активную. Абсолютная, или общая, порис­ тость — это отношение объема всех пор к общему объему круга; активная пористость — отношение объема сооб­ щающихся между собой пор к общему объему круга.

Для измерения общей пористости известны два ме­ тода:

1)основанный на измерении плотности [90];

2)статистический.

По первому методу производят определение общей (кажущейся) плотности круга

где Р — вес круга, а затем собственной плотности твер­ дого рт материала круга (абразива и связки).

'Тогда общая пористость вычисляется по формуле

Рт

В данном методе особую трудность представляет опреде­ ление собственной плотности твердого материала круга.

По второму методу делается увеличенная микрофо­ тография произвольного кусочка шлифовального круга, на которую много раз случайным образом бросается иголка. Можно показать, что предел, к которому стре­ мится отношение числа попадания острия иголки в об­ ласть, занятую порами, к общему числу бросаний иголки, когда это последнее безгранично увеличивается, равен т.

32

Для определения активной пористости существует ме­ тод пропитки. По этому методу шлифовальный круг по­ гружается в воду, выдерживается до полного насыщения и взвешивается. Тогда

где Дм — вес пропитанного водой круга; Р — вес сухого круга; рв •— плотность воды.

Отсюда объем активных пор

Рв

Тогда активная пористость определяется по формуле

Активная пористость является очень важной констан­ той реальных шлифовальных кругов и в ряде стран при­ нята за основную характеристику структуры шлифоваль­ ного круга. Так, например, Вейлль [80] прямо указыва­ ет, что структура шлифовального круга определяется его пористостью. Крейбакер [81] (США,фирма «Цинцинати») также характеризует структурушлифовального круга его пористостью. В чехословацком стандарте № 224024 структура абразивных инструментов характе­ ризуется объемом воды, поглощаемой образцом при опре­ деленных условиях, и указывается в процентах к объему образца.

Определение капиллярной пористости. Капиллярной пористостью называют тот объем пор, который заполня­ ется водой при капиллярном всасывании, когда шлифо­ вальный круг погружают в воду только на 1 —1,5 мм.

Для определения капиллярной пористости шлифо­ вальный круг погружают в воду на глубину 1 —1,5 мм и в таком положении (чтобы всегда был контакт круга с водой) выдерживают до прекращения увеличения массы, т. е. до полного насыщения. Обычно насыщение насту­ пает через 30 мин.

Расчет капиллярной пористости ведут по следующей

где Рп — вес круга, насыщенного водой при капиллярном всасывании.

При капиллярном всасывании воды в сложной капил­ лярнопористой системе, какой является шлифовальный круг, может происходить защемление воздуха в тупико­ вых порах. Здесь воздух сжат капиллярным давлением, величина которого, например, в порах размером 10~5 см составляет приблизительно 15 кгс/см2.

В первом приближении можно считать, что разность между активной и капиллярной пористостью составляет тупиковую пористость по направлению капиллярною всасывания.

К некапиллярным порам можно отнести такие, по ко­ торым не происходит движения смачивающей жидкости под действием капиллярного давления. К ним относятся крупные поры—раковины.

Определение канальной пористости. Канальными на­ зывают открытые проницаемые поры крупнее 5 мкм, образующие более или менее прямые каналы и идущие в каком-либо направлении, например по радиусу от внутреннего диаметра круга к его периферии. Все другие открытые поры являются неканальными для данного на­ правления. К неканальным также относятся проницае­ мые поры, размер которых меньше 5 мкм.

Таким образом, канальная пористость составляет не­ которую часть проницаемой. Нижний предел канальных пор принят постоянным и равным 5 мкм на том основа­ нии, что при капиллярном всасывании вода обычно не заполняет поры менее 5 мкм.

По нижнему пределу канальные и капиллярные поры идентичны. Верхнего предела для канальных пор нет, а для капиллярных он равен предельному размеру, при котором имеет место капиллярное всасывание.

Канальная пористость является самостоятельной ха­ рактеристикой структуры шлифовального круга, опреде­ ляющейся не только величиной, но и направлением. Уста­ новлено, что объем канальных пор круга в радиальном

34

Дополнительной характеристикой канальной пористо­ сти является коэффициент извилистости каналов, кото­ рый представляет собой отношение длины каналов (ка­ пилляров) к разности наружного и внутреннего радиу­ сов круга, если этот коэффициент определяется в радиальном направлении.

4. Удельная поверхность и ее измерение

Удельная поверхность пористого шлифовального кру­ га определяется как площадь внутренних поверхностей пор, приходящаяся на единицу объема круга, т. е. пред­ ставляет собой отношение площади к объему и имеет размерность L~l.

Удельная поверхность является важным параметром, определяющим проницаемость — способность пористого шлифовального круга пропускать через себя СОЖ.

Так как строение внутренней поверхности шлифо­ вальных кругов очень сложно, то удельная поверхность может быть определена только статистическим или ка­ ким-нибудь косвенным методом.

Разработанный Чокли, Корнфилдом и Парком [82] статистический метод определения пористости и удель­ ной поверхности грунтов и других пористых материалов можно распространить на определение удельной поверх­ ности шлифовальных кругов.

По этому методу используется увеличенная в п раз микрофотография произвольного сечения кусочка шли­ фовального круга. На эту фотографию много раз слу­ чайно бросается игла длиной I и подсчитывается число h случаев попадания острия иголки внутрь поры и число С случаев пересечения иголкой контура поры.

Удельная поверхность определяется по формуле

которая получена из теории вероятностей.

Наиболее совершенным методом определения общей удельной поверхности порового пространства шлифо­ вальных кругов является метод случайных секущих в комбинации с точечным, разработанный С. А. Салтыко­ вым [83]. Возможность применения этого метода в ис­ следовании структуры шлифовальных кругов показана

нами в работе [84]. Стереометрический метод основан па закономерностях геометрической вероятности и не со­ держит никаких произвольных допущений.

По этому методу на микрофотографию произвольного сечения кусочка шлифовального круга накладывается прозрачная, выполненная на кальке квадратная сетка и подсчитываются число точек пересечений линий сетки контурами пор круга Z и суммарная длина линий сетки L, мм. Тогда суммарная поверхность пор в единице объ­ ема вычисляется по формуле

Суммарный объем пор в единице объема шлифоваль­ ного круга определяется отношением

где X — общее количество узловых точек квадратной сетки; х — число узловых точек, попавших на площади сечений пор круга.

Тогда удельная поверхность пор по объему круга вы­ числяется по формуле [83]

Значение 2XjL определяется увеличением микрофото­ графии, размером и числом ячеек сетки и является по­ стоянным коэффициентом при постоянстве этих условий анализа.

Это лучший метод определения общей удельной по­ верхности шлифовальных кругов в современной практике.

Активную удельную поверхность шлифовальных кру­ гов можно определять методами Козени и Кармана [85, 86], основанными на вязком пуазейлевском режиме те­ чения воздуха.

Уравнение Козени и Кармана имеет вид [87]

Коэффициент воздухопроницаемости определяется с помощью прибора и по методике, разработанным С. Г.

36

Редько [88], или на приборе мод. ПСХ-4, который вы­ пускается Опытным заводом ВНИИНСМ Министерства промышленности строительных материалов СССР.

5. Проницаемость

Проницаемость—это свойство пористого шлифоваль­ ного круга, характеризующее его способность пропускать через себя СОЖ под действием приложенного градиента

это проницаемость такого пористого материала, в кото­ ром перепад давления в 1 атм поддерживает расход жидкости в 1 см3/сек при вязкости, равной 1 с-пуаз, через куб с длиной ребра 1 см. Отсюда видно, что проницае­ мость имеет размерность квадрата длины.

Величина проницаемости К, определяемая структу­ рой шлифовального круга, представляет собой его мак­

А — площадь внутренней поверхности круга; АР — пере­ пад давления на длине L образца пористого материала.

Определяемая законом Дарси проницаемость пред­ ставляет собой макроскопическую характеристику пори­ стого шлифовального круга. Поэтому следует говорить о проницаемости только достаточно большого элемента шлифовального круга, содержащего достаточно пор. Проницаемость определяется (в более или менее стати­ стическом смысле) геометрией поровой структуры, строе­ нием черепка шлифовального круга [90].

Необходимо отметить, что проницаемость шлифоваль­ ных кругов непостоянна в различных направлениях, т. е. круги являются анизотропными по проницаемости. Наи­ большее различие наблюдается между проницаемостью, измеренной по радиусу и в направлении от торца к тор­ цу. Экспериментально установлено, что проницаемость, измеренная от торца к торцу, на 10—15% больше, чем

37

п рони ц аем ость по радиусу, что о б ъ яс н я ется н а п р а в л е н и ­ ем прессования . А низотропность п р оницаем ости способ ­ ствует вы теканию С О Ж через торцы крута.

6. Определение проницаемости шлифовального круга по микрофотографии

его произвольного сечения

через поры.

Проведенными нами исследованиями, которые описа­ ны ниже, установлено наличие корреляционной взаимо­ связи между наиболее вероятным размером пор, актив­ ной пористостью и проницаемостью. Это позволило пред­ положить возможность использования разработанной Б. А. Регушем [95] методики определения проницаемо­ сти тирригенных коллекторов по микрофотографиям для определения проницаемости шлифовальных кругов. Дан­ ная методика основана на объективно существующей вза­ имосвязи между параметрами, характеризующими строение порового пространства пористого материала, и его проницаемостью.

Чтобы проверить возможность использования мето­ дики В. А. Регуша [95] для определения проницаемости шлифовальных кругов, нами для круга Э9А40СМ2К6 ме­ тодом пропитки была определена активная пористость, а по закону Дарси — проницаемость. После этого произво­ дилось определение проницаемости по методике В. А. Регуша.

По данной методике для определения проницаемости делают микрофотографию произвольного кусочка шли­ фовального круга, а из кинопленки — шаблон с нанесен­ ными окружностями различных диаметров.

С помощью шаблона на микрофотографии с учетом увеличения микроскопа, при котором получена данная

38

Та б л и ц а 1

Параметры структуры шлифовального круга Э9А40СМ2К.6

микрофотография, определяют диаметры da пор и мини­ мальный размер I каналов, соединяющих поры, и под­ считывают частости пор и каналов одинаковых размеров. Чтобы получить достоверные данные для одного круга, делается пять-семь микрофотографий и данные всех фо­ тографий объединяются в одну общую выборку.

Полученные данные сводятся в таблицу. Для примера в табл. 1 приведены результаты измерений на шести мик­ рофотографиях шлифовального круга Э9А40СМ2К6.

На основании табличных данных строится график (рис. 11) распределения размеров диаметров пор и ка­ налов, которые имеют общую точку. Абсцисса этой точ­ ки (в нашем случае приблизительно 200 мкм) характери­ зует собой условный диаметр dy каналов, который прак­ тически и определяет проницаемость шлифовального круга. Под условным диаметром каналов следует пони­ мать долю каналов и пор одного размера от их общих количеств.

Тогда канальность шлифовального круга определя­ ется по следующим формулам:

39