Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время в технологически развитых странах совершенствование машиностроительных производств характеризуется тенденцией увеличения использования технической композиционной керамики для изготовления изделий различного назначения. Эта тенденция обусловлена преимуществами композитов перед металлами и сплавами: доступностью сырья и экологической чистотой производства; малым удельным весом; низкой энергоемкостью и высокой коррозионной стойкостью и др. Наиболее широкое применение детали из керамических композиционных материалов находят в высоконагруженных конструкциях изделий авиационной, космической техники, электротехники и электроники. Интенсифицируется внедрение композиционной керамики в двигателестроении, точных опорах скольжения, в медицине и т.п.
Под керамическими понимают неорганические неметаллические материалы, получаемые путем синтеза. К ним относят как однофазные керамики (лейкосапфир, рубин, германий, кремний), так и многофазные композиционные керамики, способные работать в экстремальных условиях (сиалоны, ферриты, ферроэлектрики и др.). По назначению современную техническую керамику классифицируют на две группы: 1) конструкционную и 2) функциональную. Вторая группа выполняет специальные (оптические, электрические, магнитные и др.) функции, определяющие качество функционирования аппаратуры.
Показатели качества функциональных поверхностей изделий из керамики: RZ<0,05 мкм, неплоскостность N<10 мкм на 70 мм, без учета требований по оптической чистоте формируются в соответствии с ГОСТ 11141. Поверхностные слои материала являются самостоятельной подсистемой и определяют такие важные свойства, как износостойкость, прочность, сопротивляемость усталости и др. Целенаправленно формируя состояние и свойства тонких поверхностных слоев на операциях финишной обработки, можно управлять эксплуатационными свойствами изделий из конструкционной и функциональной керамики.
Типовая технологическая схема процесса прецизионной обработки керами-ческих материалов состоит из: шлифования (чернового и чистового), доводки алмазной, полирования, в том числе физико-химического.
Эффективность финишного формообразования поверхностей методами алмазной доводки обусловлена структурным состоянием и кинетикой измене-ния физико-механических свойств материала при внешнем кумулятивном воздействии технологической среды уровня операции. Управление процессами поглощения и диссипации энергии представляет возможность формирования требуемых структур поверхностного слоя.
Устойчивость структурообразования определяется энергетическим состоянием поверхностного слоя. В зоне диспергирования протекают сложные процессы, не присущие по отдельности ни инструменту, ни заготовке. Физическое состояние зоны контакта определяется как перемещениями в пространстве, так и вариативными свойствами элементов технологической системы. Относительные перемещения в системе непосредственно связаны с условиями взаимодействия.
В связи с изложенным проблема исследования направленного формиро-вания параметров качества поверхности изделий из керамических компози-ционных материалов путем разработки эффективных комбинированных технологических сред на операции доводки является актуальной.
Актуальность проблемы подтверждается её выполнением в соответствии с грантами .........................
Целью исследования является повышение эффективности формирования показателей качества и производительности обработки изделий из керамических материалов путем управляемого взаимодействия технологических сред и поверхности на операциях финишной прецизионной обработки с использованием теории технологической наследственности.
Комплекс научно-технических задач, решаемых в работе, включает:
анализ технологических условий формирования показателей качества прецизионных поверхностей при взаимодействии технологической среды и поверхности на операциях алмазной доводки с учетом механизмов формиро-вания поверхностных дефектов и процессов наследования свойств;
разработку технологических сред операций прецизионной доводки, по-вышающих производительность обработки и снижающих дефектность по-верхностного слоя.
Поставленная в работе цель достигнута решением научных ЗАДАЧ.
-
Анализ комплекса характеристик, определяющих показатели качества поверхностного слоя, как базы формирования функциональных свойств изделий из керамических материалов.
-
Установление иерархии влияния технологических факторов процесса финишной доводки свободным абразивом и роли технологической наследс-твенности при формировании выходных показателей процесса обработки.
-
Разработка функциональных моделей диспергирования материала на операциях тонкой доводки керамических материалов на основе структурно-энергетической концепции разрушения и учета кинетики накопления повреждений при действии внешней абразивной среды.
-
Разработка методик выбора характеристик технологических сред, обеспечивающих минимизацию поверхностных дефектов механической обработки, и рекомендаций по повышению эффективности процесса доводки свободным и связанным абразивом изделий из функциональной керамики.
-
Разработка методики прогнозирования показателей качества поверхнос-ти изделий из композиционной керамики в условиях неопределенности на основе теории искусственных нейросетей с обучением (коррекцией) по ре-зультатам теоретических и экспериментальных исследований технологичес-ких особенностей операций.
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методологической основой работы является системно-структурный анализ процессов диспергирования, где процесс обработки анализируется как техническая система, одной из подсистем которой являются процессы взаимодействия технологической среды и обрабатываемой поверхности. Подсистемы соответствующего уровня теоретического анализа характеризуются своими наиболее информативными параметрами в абсолютных, удельных, градиентных и других соотношениях, отражающих первое и второе начала термодинамики. Объединение энергетических соотношений, отражающих функционирование подсистем разных уровней, нецелесообразно из-за наличия в одном уравнении величин разных порядков.
Теоретические положения базируются на использовании методов механики сплошной среды, статистической физики и термодинамики, теории усталостного разрушения, математического моделирования. Значительная часть теоретических разработок представляет научное обобщение имеющихся в научно-технической литературе экспериментальных данных и гипотез, сопровождающих процессы абразивного диспергирования.
Лабораторные и производственные исследования проведены с использова-нием современных методик планирования эксперимента. Компьютерная тех-ника использовалась при статистической обработке экспериментальных ре-зультатов и нейросетевом моделировании выходных параметров процессов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов работы заключается в:
- решении комплекса научно-технических и технологических задач обеспечения показателей качества и производительности обработки пре-цизионных поверхностей изделий из керамических материалов, включающих выбор метода формообразования, технологического обеспечения операции и кинетику изменения физико-механических свойств материала поверхности:
- аддитивной зависимости уровня показателей качества поверхности от условий взаимодействия технологической среды и поверхности, присутствующих при этом механизмов разрушения материала и техно-логической наследственности: хрупкое разрушение с пластическим срезом при доводке фиксированным абразивом; комбинированное разрушение с преобладающей пластической деформацией при доводке свободным абразивом; на основе физико-химических процессов при полировании;
- функциональных зависимостях скорости диспергирования и точности формообразования, учитывающих кинетику взаимодействия среды и поверхности, изменение свойств обрабатываемого материала в зоне диспергирования;
- методиках оценки интегральной функции эффективности технологической среды в условиях гидродинамического абразивного диспергирования керамики по способу свободного притира;
- статистических моделях, учитывающих иерархию влияния технологических и наследственных факторов на производительность доводки свободным и связанным абразивом с использованием аппарата искусственных нейросетей.
Предложена методология технологического проектирования процессов прецизионной обработки керамических материалов, основанная на концеп-ции технологической наследственности показателей качества с учетом функ-циональных характеристик технологических сред различного иерархическо-го уровня: среды уровня операции, среды уровня технологического про-цесса (по Васильеву А.С.), среды уровня машиностроительного произ-водства (по Соломенцеву Ю.М.).
Установлена приоритетная роль структуры материала и зернистости алмаз-ного инструмента при формировании микрогеометрических показателей ка-чества поверхностей на примере обработки вакуумплотной керамики ВК-100 и ВОК-60. Определяющими условиями формирования выходных показателей качества являются технологические особенности операций доводки мелко- зернистой пастой АСМ 5/3 ПОМ, АСМ 3/2 ПОМ с технологическим обеспечением: комбинированной смазочно-охлаждающей средой (А.С. № 1162862, Кл. С10М 141/12), профилированием поверхности притира для реализации гидродинамического режима доводки, применением специальной мастики (клея) для обеспечения температурной стабилизации процесса.
Разработаны методика оценки энергетических функций повреждаемости материала в условиях обработки и методология выбора рационального комп-лекса технологических условий с использованием аппарата искусственных нейросетей. Результаты расчетов с использованием гибридной нейросети поз-воляют заключить, что на операциях финишной обработки керамических материалов свободным абразивом наибольший вес имеет коэффициент , характеризующий технологические условия проведения доводочной опера-ции мелкозернистой пастой АСМ 5/3 ПОМ, который составляет около 85 %.
Результаты исследований реализованы в промышленной технологии Кине-шемского предприятия ОАО «Поликор». Отдельные результаты исследова-ний реализованы на ОАО «ЦКБ спецрадиоматериалов», ООО «Ивспецпри-бор» и в учебном процессе подготовки специалистов по специальности 151001 «Технология машиностроения» филиала ГОУ ВПО МГИУ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на региональных, российских и международных научно-технических конференциях и семинарах: «ПРОТЕК – 2001 – 2008», МГТУ «СТАНКИН»; «Интерпартнер – 2001 – 2008», «ХПИ», Харьков, Украина; «Оптимизация поцессов резания и эксплуатация мехатронных станочных систем – 2009», УГАТУ, Уфа; «Трибология и нанотехнологии – 2007, 2009», ИвГУ, Иваново; «Современные технологии в машиностроении – 2004», ПГУ, Пенза; «Техника, технологии, перспективные материалы – 2003», МГИУ; «Автомобиле- и тракторостроение: приоритеты развития – 2010», МГТУ «МАМИ»; «МТИ-2010», МГТУ «Станкин»; «Управление качеством – 2011», «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского.
В полном объеме материалы диссертации заслушаны и одобрены на объе-диненном заседании кафедр «Технология машиностроения» и «Инструментальная техника и технология формообразования» МГТУ «СТАНКИН», кафедры «Технология машиностроения» КФ ГОУ ВПО МГИУ, Объединенном семинаре трибологического центра при ИвГУ г. Иваново.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме работы опубликовано 47 печатных работ, в том числе монография и 15 публикаций в изданиях, соответствующих перечню ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертации.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Содержит 325 стр., 27 таблиц, 57 иллюстр., в т.ч. приложения 29 стр. Список литературы содержит 200 наименований.
