Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования
1.1 Состояние вопроса алмазной обработки керамических изделий 9
1.1.1 Физическая сущность процесса доводки (LAPPING) 9
1.1.2 Влияние внешней среды на процесс диспергирования 18
1.1.3 Особенности алмазной обработки мелкозернистыми пастами 23
1.1.4 Влияние гидродинамических явлений процесса 29
1.2 Основные выводы и задача исследования 32
ГЛАВА 2. Факторы характеризующие процесс доводки и общая методика проведения эксперимента
2.1 Оборудование, материалы и приспособления 36
2.2 Методика оценки физико-механических свойств поверхностного слоя методом дифрактометрии 43
2.3 Приспособление для испытания пластинки осесимметричным нагружением 48
2.4 Методика производственных испытаний 50
ГЛАВА 3. Исследование влияния доминирующих факторов финишной обработки минералокерамики на производительность и качество поверхности
3.1 Факторы характеризующие процесс доводки 51
3.2 Анализ системы связей механические свойства - обрабатываемость методами доводки 52
3.2.1 Оценка механических свойств поверхностного слоя по измерениям микротвердости 53
3.2.2 Анализ связи структурные особенности - качество поверхности 56
3.2.3 Исследование влияния технологических факторов на формирование шероховатости поверхности керамики связанным абразивом 63
3.2.4 Исследование влияния СОТС на показатели механической прочности 68
3.3 Экспериментальное исследование влияния технологических факторов на эффективность процесса доводки (LAPPING) 71
3.3.1 Влияние кинематических параметров процесса 71
3.3.2 Влияние динамических условий на эффективность доводки 79
3.4 Исследование характера изменения геометрической формы поверхности притира 83
3.5 Исследование влияния внешней среды на эффективность процесса доводки свободным абразивом 90
3.5.1 Анализ кинетики изменения абразивной способности суспензии 94
Выводы по главе 3 97
ГЛАВА 4. Разработка физико-математической модели диспергирования минералокерамики при комплексном воздействии абразивной среды
4.1 Анализ существующих гипотез и теорий формообразования деталей методами доводки (LAPPING) 99
4.2 Роль абразивной среды в формообразовании и разрушении поверхностей деталей и притира 102
4.3 Развитие кинетической модели диспергирования минералокерамики на операциях абразивной доводки (LAPPING) мелкозернистыми пастами 107
4.4 Исследование уравнения динамики процесса доводки 116
Выводы по главе 4 118
ГЛАВА 5. Оптимизация технологических параметров процесса доводки керамики ВК 100-1 в производственных условиях
5.1 Построение математической модели процесса 119
5.2 Анализ влияния производственных факторов на производительность обработки и качество поверхности 125
5.3 Оптимизация кинематических и динамических условий доводки при наличии гидродинамического фактора 131
5.4 Исследование физико-механических параметров поверхностного слоя керамики после механической обработки 134
Выводы по главе 5 137
Основные выводы по работе 138
Список использованной литературы 140
Приложения 146
- Особенности алмазной обработки мелкозернистыми пастами
- Методика оценки физико-механических свойств поверхностного слоя методом дифрактометрии
- Исследование влияния технологических факторов на формирование шероховатости поверхности керамики связанным абразивом
- Роль абразивной среды в формообразовании и разрушении поверхностей деталей и притира
Введение к работе
Развитие современного машино- и приборостроения связано с разработкой и внедрением новых материалов и прогрессивных технологических процессов их обработки. К числу таких материалов относятся керамические материалы и ситаллы, которые находят широкое применение в различных областях техники. Уникальные свойства керамики позволяют использовать ее в качестве режущего инструмента, деталей машин, приборов, радиоэлектронной аппаратуры и т.д. Из-за высокой твердости материала механическая обработка заготовок возможна лишь абразивным инструментом. Применение синтетических алмазов позволяет резко интенсифицировать процесс обработки керамики, но нестабильность механических свойств последней ограничивают возможности алмазной обработки. При этом наивысшие показатели качества получают методами доводки свободным абразивом [52, 53].
В настоящее время процесс доводки относится к наименее изученным способам обработки ввиду одновременного действия многочисленных трудноуправляемых процессов и явлений. Производительность, качество поверхности, износ и стойкость инструмента, энергетические затраты определяются свойствами керамики, характеристиками алмазного инструмента, режимами и технологическими особенностями оборудования. Поэтому повышение эффективности механической обработки керамики обусловлено изучением закономерностей сложного многофакторного процесса резания.
Типовая технология керамического производства состоит из стадий: помол и смешивание со связкой для получения формовочной массы; оформление заготовки прессованием, горячим или холодным литьем, литьем пленки, прокаткой, т.е. приготовление полуфабриката; обжиг в камерных или туннельных печах, в вакууме или под давлением в определенной газовой среде и т.д.; механическая обработка для окончательного оформления изделия.
Все перечисленные стадии случайным образом влияют на значение коэффициента усадки керамики при высокотемпературном обжиге. Следовательно, получить необходимую точность керамических деталей без механической обработки (резки, сверления, шлифования, доводки) в серийном производстве невозможно. Конфигурация керамических деталей после обжига вследствие деформаций - поводок - может значительно отличаться от указанной на чертеже. Это относится прежде всего к плоским заготовкам площадью 20-40 см2. Все это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку, достигающие в ряде случаев нескольких миллиметров. Для снятия этих припусков при черновом шлифовании алмазным инструментом необходимо выбирать такое оборудование, инструмент и технологические режимы, которые обеспечат высокую производительность процесса обработки [32]. При этом точность размера должна составлять несколько десятков микрометров, а параметр шероховатости Ra - около 0,63-1,25 мкм.
Задачей чистого шлифования алмазным инструментом является обеспечение заданной точности размеров и уменьшение глубины нарушенного слоя. Для получения минимальной высоты неровностей обрабатываемой поверхности применяют доводку свободным алмазным зерном. При доводке сохраняется макрогеометрия и размерная точность, полученные при чистовом шлифовании, параметр Ra может быть доведен до 0,01 мкм.
Детали приборов и устройств, пластины режущих инструментов из высокопрочных керамических материалов изготовляют в промышленности в массовом количестве. К числу таких изделий относятся подложки для тонкопленочной электроники из керамики ВК100-1 - "поликор". Оксидная керамика обладает широким диапазоном физико-механических свойств, причем в ряде случаев для специальных применений эти свойства уникальны. Так, например, в радиоэлектронике используют керамику с диэлектрической проницаемостью от 3 до 10000, температурный коэффициент этой характеристики может варьироваться от ±3-10" до ±1 град" . Максимальная температура эксплуатации конструкционной керамики может быть от 1270 до 4150 К, термический коэффициент линейного расширения от 2 до 14-10"6 град"1. Предел прочности при сжатии от 0,2 до 2 ГПа, при изгибе - от 0,07 до 0,4 ГПа; твердость по шкале Мооса от 4 до 9,5 баллов. Такое разнообразие свойств определяемое рецептурой и соответствующей технологией изготовления керамики, вносят определенные трудности в проектирование механической обработки.
На поликоровых подложках задаются: параметр шероховатости Ra< 0,01 мкм, допуск плоскостности на 20 см должен быть равен 1-5 мкм, регламентированы наибольшие размеры микровьпсолов и сколы краев, а также количество царапин (ТУ 11.027.031-72). В связи с широким распространением в практике многослойных по- крытий режущих граней минералокерамических пластин инструментов, грани под покрытия должны быть обработаны с параметром шероховатости Ra < 0,01 - 0,05 мкм, а режущие кромки должны иметь сколы не более 2-5 мкм [16]. Обеспечение этих требований возможно только методами доводки, что позволяет изготавливать инструменты с высокими режущими свойствами и повысить их надежность.
Причинами возникновения чрезмерно больших микровыколов и микротрещин на поверхности является недостаточность числа доводочных операций или времени их осуществления, т.е. когда трещиноватый слой с поверхности детали не удален полностью. Если же слой удален, а размеры дефектов больше допустимых, в первую очередь необходимо обратить внимание на соответствие режимов обработки, размерам используемых при доводке алмазных зерен пасты или порошка, возможность загрязнения рабочей зоны более крупным зерном (на поверхности деталей в этом случае появляются редкие глубокие риски), фактическую твердость материала инструмента - притира и его плоскостность.
Мягкие притиры из меди, текстолита при длительной эксплуатации, особенно если на их рабочей поверхности нет спиральных или кольцевых канавок, насыщаются алмазами, становятся твердыми. Прирабатываемость притиров и шаржируемость свежими алмазами ухудшаются, что резко сказывается на производительности процесса и качестве доведенной поверхности. Этими же причинами объясняются трудности стабильного обеспечения требуемой шероховатости поверхности.
Существующие в настоящее время рекомендации по технологии доводки основываются, как правило, на эмпирических подходах и разнообразных гипотезах, рассматривающих процесс диспергирования с различных теоретических позиций. В связи с этим возникла необходимость проведения исследований процесса тонкой доводки с целью его стабилизации на основе анализа комплексного воздействия абразивной среды и обрабатываемой поверхности и создания физико-математической модели такого взаимодействия. Наличие подобной модели позволяет прогнозировать выходные показатели процесса диспергирования и появляется возможность создания управляемого технологического процесса.
При этом возможны два принципа построения технологии.
1. Построение техпроцесса обработки деталей с учетом технологической наследственности. Этот принцип основан на анализе структурной схемы построения технологического процесса от заготовки к детали и позволяет повысить параметры качества изделия, при стабильных и управляемых процессах производства заготовок. Применительно к построению доводочных операций применение указанного принципа приводит к необоснованно завышенному числу переходов с постепенно уменьшающейся зернистостью суспензии. При этом значительно удлиняется по времени производственный цикл и возрастает себестоимость.
2. Проектирование технологического процесса изготовления прецизионных деталей основано на решении задачи по формированию параметров качества изделий на основе установления связей: качество детали - необходимые операции - требования к заготовке. Реализация этого принципа позволяет сократить трудоемкость изготовления изделия и обеспечить требуемые показатели качества с учетом статистических закономерностей конкретного производства.
В соответствии с изложенными особенностями, стабилизация процесса диспергирования на финишных операциях механической обработки керамики является первым этапом создания управляемого процесса обработки свободным абразивом. Для этого необходимо проанализировать закономерности процесса с учетом всех реально действующих факторов и подобрать адекватные критерии обрабатываемости. Затем необходимо обеспечить условия равномерного изнашивания поверхности инструмента и сохранения геометрической формы во времени, что и обеспечит возможность управления процессом финишной обработки.
Кроме отмеченного, необходимо учитывать тот факт, что при отработке технологии в производственных условиях основные закономерности, полученные при проведении "чистых" экспериментов, могут нивелироваться побочными явлениями и процессами. Поэтому оптимизация параметров переменных входных факторов по критериям, характерным для данного производства, является составной частью комплексного подхода к проектированию технологии. Решение этой задачи возможно при использовании системно-структурного подхода.
Таким образом, проблема стабилизации процесса доводки свободным абразивом и физико-математическое описание характера диспергирования является актуальной. В настоящей работе предпринята попытка создания теоретических основ инженерной методики расчета технологической точности, основанной на кинетике разрушения обрабатываемого материала.
Особенности алмазной обработки мелкозернистыми пастами
Паста, содержащая синтетические алмазные зерна, наносится на доводочный диск и равномерно распределяется по его поверхности, как правило, перед началом операции. Затем в зону обработки подается из капельницы СОТС. По мере износа алмазных зерен и потери ими абразивной способности, в зону обработки, после предварительного удаления продуктов износа, рабочей жидкости и неабразивных составляющих, подается новая порция пасты. Таким образом, замена изношенных алмазных зерен новыми происходит периодически, а длительность периода определяется стойкостью зерен и физико-химическим состоянием среды. Применяемый в абразивной доводке способ неограниченной подачи в зону обработки абразивной суспензии, неприемлем с экономической точки зрения при работе с алмазными порошками. Он приводит к повышенному и непроизводительному расходу алмаза.
В [52] отмечено существование в процессе доводки мелкозернистыми алмазными пастами в зависимости от количества подаваемой жидкости трех качественно различных состояний слоя, содержащего алмазные зерна, неабразивные составляющие пасты, рабочую жидкость и шлам.
Состояние I. Толщина слоя больше размера алмазных зерен. Такое состояние возможно при относительно большом количестве неабразивной части пасты на поверхности доводочного диска, избытке рабочей жидкости и высокой ее вязкости. Жесткий контакт зерен с обрабатываемой поверхностью отсутствует. Диспергирование отсутствует или оно незначительно. Состояние II. Толщина слоя соизмерима с величиной алмазных зерен. При жестком контакте деталь - алмазные зерна - доводочный диск происходит сложный процесс перекатывания и проскальзывания зерен. Процесс диспергирования осуществляется в результате проникновения алмазных зерен в деталь и доводочный диск на глубину, являющуюся функцией их твердости, приложенной нагрузки и состояния среды. В этом случае перекатывание является преобдающим процессом. Проскальзывание возможно при неоднородности материалов детали и доводочного диска и высокой плотности расположения зерен на отдельных участках слоя.
Состояние III. Толщина слоя меньше размера алмазных зерен. Зерна интенсивно шаржируются в поверхность доводочного диска и в дальнейшем работают в закрепленном состоянии (имеется в виду наиболее распространенный случай, когда твердость диска ниже твердости обрабатываемой детали). Закрепление зерен возможно и в слое при их плотной упаковке или высокой вязкости последнего. Диспергирование поверхности детали происходит в результате микроцарапания закрепленными зернами алмаза.
Величина работы, затрачиваемой на диспергирование при состоянии слоя I зависят только от силы сопротивления Fi, возникающей при движении детали относительно инструмента притира. Силы взаимодействия F, возникающие в зоне обработке, могут быть разложены на две составляющие - нормальную Ру и тангенциальную Pz (см. рис. 1.3). В зависимости от состояния абразивного слоя, величины скорости V0 относительного движения и закона ее изменения, значение Pz в процессе доводки различно (при постоянном значении Ру) [14]: где /лі - коэффициент абразивного трения определяется свойствами жидкой среды (вязкостью, смачиваемостью и т.д.).
При состояниях слоя II и III процесс диспергирования интенсифицируется. Силы сопротивления Fn и Fin определятся силами, возникающими при упругих и пластических деформациях материала, силами внешнего трения в системе деталь - алмазные зерна - доводочных диск и силами, возникающими непосредственно при диспергировании. Однако при перекатывании алмазных зерен скорость нарастания напряжения в поверхностном сдое детали (скорость сжатия) значительно вьппе, чем при скольжении относительно детали. Так, например, число оборотов зерна размером 10 мкм при его качении составит 3-Ю6 об/мин при относительной линейной скорости перемещения детали и доводочного диска 1.67 м/сек или 100 м/мин (качение без скольжения). Если учесть, что зерна имеют многоугольную форму, а число углов колеблется в пределах от 3 до 6, то участок поверхности, соизмеримый с периметром зерна, будет испытывать примерно З 105 ударов в секунду. Исходя из того, что сила трения при качении в 2-3 раза меньше, чем при скольжении и что сила сопротивления материала уменьшается при увеличении скорости его сжатия [36] можно записать: Fn Fm,a. окончательно для всех трех состояний слоя: F, Fu Fni.
Таким образом, можно предположить, что величина силы сопротивления Fin будет максимальной и в связи с преобладанием пластических деформаций обрабатываемой поверхности при состоянии слоя III. Процесс доводки алмазными пастами может сопровождаться и промежуточными явлениями, представляющими собой переход от одного качественного состояния слоя к другому. По характеру изменения силы сопротивления можно предположить характер поведения абразивного слоя.
При оптимальном количественном соотношении пасты и рабочей жидкости исходное состояние слоя, образующегося между деталями и доводочным диском, определяемое толщиной, вязкостью и сплошностью, а также абразивная способность алмазных зерен в слое непрерывно изменяются в процессе доводки. В наших опытах состояние слоя оценивалось по изменению величины минутной производительности, шероховатости обработанных поверхностей и силы сопротивления в плоскостях доводки.
Об изменении режущей способности абразивной суспензии свидетельствует максимальный съем, наблюдаемый в первую минуту доводки, и падение его в последующие минуты обработки. Скорость падения съема (минутной последовательности) зависит от количественного соотношения пасты и жидкости, зернистости алмаза, материала доводочного диска и ряда других факторов.
Методика оценки физико-механических свойств поверхностного слоя методом дифрактометрии
Обрабатываемые детали 3, предварительно наклеенные на диски - спутники, поджимались к рабочей поверхности доводочного диска и перемещались относительно его поводками, укреплёнными на коромысле. Последнее связано с вертикальным шпинделем 4 шарниром 5. Станок имеет два шпинделя, вращающиеся в направлении противоположном вращению диска (при экспериментальных исследованиях обработка велась только на одном шпинделе). Давление на деталь в процессе доводки создавалось весом шпинделя и грузами 6, укреплёнными на его свободном конце. При смене деталей и подготовке инструмента к следующей операции шпиндельная коробка 7 отводилась в сторону путём поворота относительно вертикальной колонны. На станке установлено механическое реле времени, обеспечивающее работу на полуавтоматическом цикле.
В процессе доводки на станке C-I5 детали совершали сложное движение относительно поверхности доводочного диска, траектория которого представляет собой удлинённую эпициклоиду. При этом относительная скорость движения непрерьшно изменялась по величине и направлению. Точность обработки плоских поверхностей (плоскостность) на станках такого типа определяется точностью формы доводочного диска. Принятая на станке C-I5 схема базирования деталей не обеспечивает параллельности обрабатываемой поверхности детали (образца) базовой поверхности.
Для оценки влияния материала притира на процесс доводки была предусмотрена возможность установки на станке сменных дисков - притиров 2. Накладки были изготовлены из материалов: чугун СЧ 15 (НВ100 -120), сталь5 (НВ116 - 130), титано вый сплав ВТ1. После шлифования рабочие поверхности доводочных дисков доводились. Применение для этой операция абразивных микропорошков электрокрунда белого (22А) зернистостью Ml О, М5 обеспечивало получение однородной рабочей поверхности диска и высокой плоскостности ее. Периодическая правка дисков (по мере износа рабочей поверхности) производилась на лекальных плитах. На рис. 2.1,6 изображен экспериментальный притир, на поверхности которого нанесены спиральные канавки треугольного профиля.
Для исследования процесса доводки были использованы пасты на основе синтетических микропорошков, выпускаемых опытным заводом УкрНИСМИ, следующих зернистостей: АСМ 5/3 ПОМ, 3/2 ПОМ растворяемых органическими растворителями. Для точного определения расхода алмазной пасты тюбик взвешивался на аналитических весах до и после нанесения пасты на диск. В качестве рабочей жидкости применялся керосин, очищенный от непредельных соединений и смолистых веществ. Определенное количество его наносилось на диск перед доводкой для равномерного распределения пасты по всей поверхности инструмента твердосплавной шайбой. Во время работы керосин подавался из капельницы, снабженной дозатором.
Критерии оценки процесса доводки. Производительность доводки определялась абразивной способностью алмазной пасты и измерялась величиной слоя материала, удалённого за определённый промежуток времени при определенном пути обработки. Абразивная способность пасты за период стойкости определяет максимальную величину слоя, который может быть удален с обрабатываемой поверхности. В наших исследованиях абразивная способность оценивалась по методу, предложенному Миндтом [96], как функция от времени: то графически экспоненциальная функция (2.1) изображается кривой, ассимтотически приближающейся к значению Q = Qm. По экспериментальным кривым, построенным по этому методу, легко определить абразивную способность (и производительность) в любой промежуток времени, проследить характер изменения ее, а также оценить полную абразивную способность алмазной пасты при доводке в определенных условиях. Производительность процесса оценивалась по двум критериям: а) съему материала в единицу времени q (мг/мин; мкм/мин); б) суммарному съему материала за период стойкости алмазной пасты, т.е. до полной потери абразивной способности Q (мг, мкм). 3.Контролируемые параметры и контрольно-измерительная аппаратура. В процессе экспериментов измерялись следующие параметры: а) Весовой съем материала qm, мг/мин, определялся взвешиванием образцов до и после доводки на аналитических весах марки АДВ-200 с точностью ± 0,1 мг. б) Линейный съем q}, мкм/мин контролировался в 5 точках образца микрокато ром типа 1 ИГП с ценой деления 1 мкм. Настройка прибора производилась по конце вым мерам длины 1-го класса. Однако, как показали опыты, при величинах линейного съёма 2 мкм и менее погрешность измерения возрастает до 50% и более из-за нерав номерного нагревания столика прибора и плиток. Точные результаты дает определение весового съёма, который и был принят в качестве основного. При построении кривых, иллюстрирующих результаты экспериментов, по оси ординат откладывался суммарный весовой съем с двух образцов (одновременно обрабатывались 2 образца), при трехкратном дублировании опыта. в) Качество поверхности. - Шероховатость доведенной поверхности (по ГОСТ 2789-83) определялась на профилометре - профилографе завода "Калибр" в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Радиус ощупывающей иглы прибора - 2 мкм. Полученные значения умножались на поправку, учитывающую величину погрешности при измерении микронеровностей иглой с радиусом 2 мкм (расчет поправок приведен ниже). - Характер разрушения поверхности образцов алмазными зернами в процессе доводки изучался с помощью оптического микроскопа МБИ-6 и электронного микроскопа "Тесла" BS-300. Наиболее характерные виды поверхностей фиксировались на снимках. Опыт доводки алмазными пастами показывает, что при одной и той же зернистости алмазного порошка можно получить различные поверхности. При визуальном осмотре они могут быть оценены как состоящие из большого числа выколов, имеющие отдельные риски или не имеющие их, матовые или с зеркальным блеском.
Исследование динамики изменения шероховатости поверхностей в процессе доводки позволяет определить условия, предшествующие тому или иному виду разрушения поверхности, условия, при которых порошок одной зернистости обеспечивает минимальную шероховатость, также сделать вывод о поведении алмазных зерен в слое, возникающем между деталями и доводочным диском. Динамика изменения шероховатости изучалась по профилограммам, полученным на профилометре-профилографе завода "Калибр" и микрофотографиям, снятым на микроскопе МБИ-6. Следует отметить, что при записи профиля микронеровностей профилограф дает погрешность, величина которой зависит от радиуса ощупывающей иглы и размеров записываемого профиля. Указанная погрешность была определена теоретически и учитывалась при оценке микронеровностей по параметру Rz. (ГОСТ 2789-85).
Исследование влияния технологических факторов на формирование шероховатости поверхности керамики связанным абразивом
Проведенные выше эксперименты показали, что значительного снижения параметров шероховатости поверхности режимами резания при обычной схеме шлифования керамических поверхностей достичь не удается. При этом наиболее значимым фактором режима резания является продольная подача, которая формирует термосиловые условия нагружения поверхностных слоев при взаимодействии круга и заготовки [32, 35].
Значительно улучшить показатели качества можно путем использования более "мягкой" схемы обработки - доводки связанным абразивом с использованием в качестве притира алмазных кругов типа АЧК и АПВ, работающих торцем. Предлагаемая схема резания сочетает достоинства доводочных процессов (невысокие скорости резания до 5 м/с и соответственно, незначительное термосиловое воздействие на обрабатываемую поверхность) и процесса шлифования [83].
Эксперимент проводился на стенде, собранном на базе доводочного станка 2ШП-200М. В качестве инструмента использовались специальные алмазные круги типа АПВ с зерном АС4 63/50 с увеличенной шириной алмазного слоя равной 10 мм. В качестве связок были предварительно опробованы органические связки (Б1, Б156, БР) и металлические (М04). В качестве СОТС применялся 2% раствор соды. Наилучшие показатели по производительности и качеству были получены при использовании металлической связки М04, которая имеет наибольшую теплопроводность, и следующие эксперименты проводились с этой связкой.
На рис. 3.4. изображены экспериментальные зависимости влияния технологических факторов на характер формирования шероховатости поверхности связанным абразивом. Переменными факторами процесса в эксперименте были скорость резания V = (0,5 - 5) м/с и давление Р = (0,04 - 0,4) МПа. Выходными параметрами являлись: скорость съема q, мкм/мин и шероховатость обработанной поверхности Ra, мкм. Анализ характера распределения параметра Ra при различных технологических условиях обработки свидетельствует о наибольшем влиянии на процесс формирования показателей качества (Ra, Rz) схемы обработки (кривая 3). СОТС (кривая 2), как активный субъект технологических условий, также оказьшает существенное влияние. С учетом исследований [2, 35], можно предложить основную гипотезу формирования показателей качества поверхности керамики.
Керамика ВК 100-1 имеет значительную наследственную технологическую дефектность, обусловленную относительно слабой связью зерен по межзеренным границам при высокой прочности корундовых кристаллов. Высокая термосиловая напряженность в зоне резания ослабляет неустойчивые межзеренные границы, что приводит к основному виду разрушения - межкристаллитным вырывам. Процесс разрушения усугубляется наличием пор и зон ослабленных пересечением границ зерен, т.е. микропор. Снижая динамическую и тепловую составляющие системы резания путем
смены схемы резания (доводка связанным абразивом) и подбором эффективной СОТС можно блокировать межзеренные сколы, снизить энергоемкость разрушения и реализовать высокотехнологичный внутризеренный скол. Сравнительный анализ показателей шероховатости свидетельствует, что доводка связанным абразивом существенно улучшает показатели качества и может быть рекомендовано в качестве чистовой обработки керамических пластин.
На рис.3.5 изображены результаты эксперимента, реализующие предлагаемые выше условия: схема обработки - доводка связанным абразивом, используемая СОТС - 1% раствор масла касторового сульфированного в воде.
Большинство характеристик механических свойств материалов в сильной степени зависят от условий проведения испытаний [48]. Это особенно характерно для керамики, имеющей наследственную дефектность (пористость, микротрещины и другие дефекты), обусловленные технологией изготовления.
В [64] отмечается, что прочность хрупких материалов практически не поддается определению испытанием на растяжение, а рекомендуется проводить испытания на поперечный изгиб по трехточечной или четырехточечной схемам нагружения. Эти методы испытания не являются объективными для исследования тонких керамических заготовок, ввиду сложности изготовления бездефектных образцов. Кроме того, изделия из керамики размером 60 х 48 х 1 мм являются поверхностно-дефектными. В монокристаллах наличие надрезов или царапин поверхности приводит к систематическому снижению прочности [34].
Отмеченные особенности привели к необходимости использования для исследования прочностных характеристик керамики нестандартной схемы испытания -осесимметричного нагружения пластинки, защемленной по контуру (см. гл. 2). Предложенная схема испытания керамических пластинок является более чувствительной к наличию поверхностных дефектов и пористости, определяющих показатели прочности, и может быть использована в исследовательской практике.
Ниже приведены исследования связи качества шлифованной поверхности с показателями прочности при испытании по схеме осесимметричного нагружения.
Результаты испытаний приведены в таблице 3.5.
Анализ данных таблицы 3.5 свидетельствует, что прочность технической окиси алюминия не очень чувствительна к большинству механических обработок при испытании на воздухе. Более существенное влияние оказывают другие показатели качества изделий, например пористость и размер зерна.
Поверхность тела является объектом непосредственного воздействия различных внешних факторов. Среди них доминирующим является окружающая среда. Из факторов окружающей среды, влияющих на прочность керамики, наиболее исследовано влияние влаги, разупрочняющее действие которой на прочность стекла установлена давно [80].
Роль абразивной среды в формообразовании и разрушении поверхностей деталей и притира
Если условия обработки постоянны, то для управления формообразованием не требуется знать количественных значений U. С помощью теории разработанной М.Н. Семибратова оптических поверхностей можно теоретически через кинематические параметры V и t определить характер износа доводочного диска. Для кинематической схемы станка модели С-15 при расчете параметры V и t заменяются безразмерными коэффициентами: коэффициентом покрытия Sr, характеризующим изменение времени контакта определенной зоны поверхности детали с инструментом (доводочным диском), и скоростным коэффициентом Vr, характеризующим изменение скорости в определенной зоне контакта. Для определения Sr, и Vr, поверхность инструмента и детали разбивают на кольцевые зоны. При расчете также учитывается коэффициент заполнения ( г) материалом кольцевых зон, выбранных на поверхности инструмента или блока заготовок. Полученные значения Sr и Vr показывают распределение работы по зонам поверхности инструмента и дают представление о характере его износа.
Предложенная методика расчета справедлива для станков, работающих по методу "свободного притира", необходимыми условиями которого являются: самоустановка деталей относительно инструмента (наличие сферического шарнира или соответствующих степеней свободы в системе шпиндель - инструмент - деталь), силовое замыкание, совпадение установочной базы с обрабатываемой поверхностью при минимальных отклонениях исходной поверхности инструмента от плоскостной формы.
На рис. 3.14 представлена схема расположения кинематических звеньев станка С-15 и даны направления их перемещения друг относительно друга. Согласно терминологии, принятой при подобных расчетах оптических станков, вертикальный шпиндель, вращающий детали и прижимающий их к поверхности доводочного диска, назван верхним звеном с центром Ов и радиусом вращения Rb , а доводочный диск -нижним звеном с центром Он и радиусом вращения RH. В процессе обработки эксцентриситет расположения осей верхнего и нижнего звеньев Е = ОнОв остается постоянным. Для расчета приняты условия, при которых проводились эксперименты: число оборотов доводочного диска пд = 2% рад/сек. (60 об/мин.); число оборотов шпинделя
Скоростной коэффициент Vr учитывает возникающее при сов сов неравенство средних рабочих скоростей по круговым зонам контактирующих поверхностей верхнего и нижнего звеньев. Для расчета Vr определяют средние интегральные значения относительной скорости в центре нижнего звена и на участках круговых зон (Аг), покрытым верхним звеном по методике [63].
Рассчитав Vr для всех зон на поверхности доводочного диска, находим для каждой зоны произведение Sr-Vr и строим кривую изменения Sr-Vr как функцию от радиуса R, (кривая симметрична относительно центра диска). Для данной схемы расположения верхнего и нижнего звеньев можно принять, что среднее значение усилия взаимодействия Р между обрабатываемыми деталями и доводочным диском будет постоянным для всех зон нижнего звена, так как при обработке детали выступает за кромку доводочного диска на величину меньшую 0,3RB. Таким образом, полученная кривая показывает характер распределения работы по зонам инструмента - доводочного диска (рис. 3.14,6).
График Sr-Vr= f(r) не дает количественных значений износа доводочного диска, так как ординаты определены в безразмерных единицах, а при расчете не учитывались технологические факторы. Однако по нему можно судить о форме износа доводочного диска, точках (и зонах) максимального и минимального износа и точках перегиба профиля поверхности. Согласно теоретическому расчету доводочный диск должен иметь неравномерную форму износа. В центральной части его будет наблюдаться впадина, на расстоянии от центра 0,3-0,4R - возвышение, а затем снова впадина (0.7-0.8)R. Причем глубина впадины в центре (рис. 3.14,6) примерно в три раза больше, чем в зоне (0.7-0,8)R (в относительных единицах).
Экспериментальное измерение формы износа доводочного диска проводилось с использованием специального прибора, который позволяет непосредственно определять относительную величину ординат профиля контролируемой поверхности. Симметричный износ рабочей поверхности диска позволил проводить замеры лишь до центра диска. В этом случае максимальная погрешность измерения не превышает 1 мкм, что вполне достаточно для достоверной оценки формы износа доводочного диска.
На рис. 3.14,в приведен профиль рабочей поверхности доводочного диска после двух часов работы диском. Действительная форма износа диска соответствует характеру распределения работ по зонам инструмента, полученному на основании теоретического расчета. Теоретические и экспериментальные значения абсцисс точек максимального и минимального износа совпадают с точностью до 10%.
На рис. 3.15 показана диаграмма изменения формы поверхности и величины относительного износа диска в процессе доводки. Исходная поверхность инструмента имела равномерную выпуклость в пределах 14- -15 мкм. В процессе работы форма поверхности доводочного диска изменялась так, как показано на рис. 3.15,а. В начальный период работы исходная выпуклость рабочей поверхности уменьшилась до 9-10 мкм. Далее в центре доводочного диска возникла местная ошибка формы в виде впадины, глубина и диаметр основания которой постепенно увеличивались. После двух часов работы глубина впадины составляла 13-14 мкм, а диаметр основания ее - 160 мм. Впадина меньшей относительной глубины образуется и у кромки доводочного диска.
Если форма износа инструмента (расположение зон максимального и минимального износа относительно центра диска) в процессе доводки остается постоянной и соответствует характеру распределения работы по зонам диска, то относительные линейные размеры (h) профиля меняются в зависимости от условии доводки. Так материал и твердость доводочного диска существенно влияют на скорость износа его рабочей поверхности, о которой, в нашем случае, можно судить по увеличению глубины впадины в центре диска.
