Введение к работе
Актуальность темы.
В различных областях машиностроения широкое применение в качестве материала для производства изделий находит конструкционная керамика. Всё более широкое использование конструкционной керамики в науке и технике и постоянно возрастающие требования к изделиям на основе этого класса материалов выдвигают проблемы, связанные с оптимизацией технологических процессов их изготовления и обработки. Конструкционная керамика обладает высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, повышенной хрупкостью, и, вследствие этого, сложностью обработки. Особое место в ряду деталей из конструкционной керамики занимают ответственные детали, работающие при высоких температурах и трибологических нагрузках.
Большой вклад в изучение процессов шлифования конструкционной керамики, стекла и композиционных материалов внесли А.В. Балыков, В.В. Гусев, Н.В. Никитков, В.П. Бахарев, Л.Ф. Калафатова, Д.Б. Ваксер, В.Н. Старов, З.И. Кремень, В.А. Хрульков, П.И. Ящерицын, В.А. Рогов, Е.И. Суздальцев, М.Ю. Русин. За рубежом (ФРГ, США, Япония) Й. Гетц, Х.Коуши, Р. Херольд, Ц. Русснер.
Одним из важнейших элементов современных скоростных ракет, управляемых методом радиолокационного наведения на цель, является головной радиопрозрачный антенный обтекатель. В настоящее время большинство зенитных ракет, стоящих на вооружении стран НАТО и России, оснащены обтекателями из кварцевой керамики, поэтому кварцевая керамика (Si02) выбрана как основной материал для исследований по механической и физико-технической обработке в данной работе. Обтекатель имеет форму сложнопрофильной оболочки вращения двойной кривизны. При механической обработке оболочки возникает ряд технологических проблем:
появление магистральных трещин на поверхности оболочки;
быстрый износ шлифовальных кругов;
низкая производительность шлифования;
неравномерность сил резания в процессе обработки, что является причиной разрушения заготовки при механической обработке.
Цель работы: повышение комплексной эффективности механической и физико-технической обработки деталей из конструкционной керамики за счёт автоматизированного выбора рациональных режимов резания на примере исследования обработки детали «оболочка вращения двойной кривизны».
Задачи.
Провести исследования для установления зависимости факторов режимов шлифования на качество поверхности кварцевой керамики.
Разработать математические модели зависимости шероховатости поверхности керамических деталей от режимов механической обработки для основных схем шлифования.
Исследовать силовые зависимости и их влияние на процесс обработки оболочек вращения.
Разработать математические модели основных параметров эффективности механической обработки деталей из кварцевой конструкционной керамики типа оболочки вращения двойной кривизны.
Исследовать экспериментально и при помощи компьютерных моделей характер микроразрушения поверхности конструкционной керамики от действия алмазных зерен абразивного круга на поверхность заготовок.
Подготовить рекомендации для выбора наиболее эффективных режимов обработки керамических деталей типа оболочек вращения путём создания специальной программы расчета оптимальных режимов обработки.
Провести исследование по влиянию магнетронного напыления покрытий на обработанную поверхность кварцевой керамики с целью блокирования микротрещин в дефектном слое и упрочнения поверхности.
Разработать математические модели параметров адгезии и толщины напыляемого покрытия на обработанную поверхность керамических деталей в зависимости от факторов технологического процесса в магнетроне.
Методы исследований.
Математическое и компьютерное моделирование механической обработки, методы статистической обработки результатов, лабораторные методы микроскопических и физико-механических исследований. Выполнение стендовых испытаний. Для сбора данных была разработана система контроля режимов резания. Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях с использованием современного оборудования.
Научная новизна.
Получены зависимости шероховатости поверхности от основных технологических факторов при плоском и круглом шлифовании кварцевой керамики.
Получены математические модели шероховатости поверхности и установлены значимые факторы при плоском и круглом шлифовании керамических деталей для различных способов механической обработки.
Установлены зависимости максимально-допустимых сил резания от области работы инструмента при шлифовании керамических оболочек вращения.
Получены математические модели для шероховатости поверхности при наружном и внутреннем шлифовании оболочки вращения и выявлены значимые факторы, влияющие на качество поверхности.
Получены зависимости в виде математических моделей для стойкости шлифовальных кругов и эффективной мощности шлифования, также установлено оптимальное число опытов для проведения исследований.
Установлены области критических напряжений при шлифовании поверхности кварцевой керамики и установлен механизм роста микротрещин в дефектном слое во время абразивной обработки.
Проведены исследования по напылению покрытия оксида кремния (SiCb) на поверхность керамических образцов после шлифования и получены математические модели для адгезии и толщины покрытий при маг-нетронном напылении на обработанные поверхности.
Практическая значимость.
Разработана авторская программа «ШлифКер» для расчёта оптимальных режимов шлифования при задании необходимой шероховатости оболочек вращения из кварцевой керамики.
Создана система контроля режимов резания (шлифования) в зависимости от мощности шлифования.
3. В результате исследований и внедрения программы расчёта
«ШлифКер» разработаны рекомендации для оптимальной настройки стан
ка и режимам шлифования оболочек вращения, позволяющие повысить
производительность в 5,5 раза по сравнению с типовым технологическим
процессом.
4. Получены положительные результаты при напылении покрытий в
магнетроне, позволяющие заращивать и блокировать распространение
микротрещин на поверхности керамики без изменения шероховатости.
Личный вклад автора. Основу диссертационной работы составляют результаты экспериментальных исследований, которые выполнены, обработаны и обобщены лично автором или при его непосредственном участии.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на научно-практических конференциях:
Всероссийская конференция «Будущее машиностроения России 2009-2011» г. Москва, МГТУ им. Баумана;
XXI Международная конференция молодых учёных по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2009), г. Москва, Институт машиноведения РАН, 2009 г;
«Инженерные системы ТЕСИС-2010», г. Москва, РУДН;
«Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» г. Обнинск 2010 г;
«Национальная научно-техническая конференция 2011», Иркутская обл., Форум «Инженеры будущего - 2011»;
«Техника и технологии. Пути инновационного развития 2011», Юго-западный государственный университет, г. Курск;
Работа является победителем регионального конкурса молодёжных инновационных научно-технических проектов по программе «У.М.Н.И.К.-2011». Получен грант от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Результаты работы внедрены в опытное производство на ФГУП Обнинское научно-производственное предприятие «Технология», НП «Калужский региональный центр наноиндустрии» и ООО «Керамические материалы и технологии».
Публикации. По результатам проведённых исследований опубликована 21 работа, в числе которых 9 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и приложений. Содержит 189 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 61 таблицу, библиографию из 146 наименований.
