Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 8
1.1. Процессы абразивной обработки стекла 8
1.1.1. Стекло, как конструкционный материал 8
1.1.2. Особенности технологий механической обработки стекла 17
1.1.3. Проблемы формирования качества поверхности стекла при механической обработки
1.2. Влияние СОТС на процессы механической обработки стекломатериалов
1.2.1. Общие особенности влияния СОТС на процессы механической ~п
обработки
1.2.2. Современные состав СОТС для шлифования 43
1.3. Выводы и постановка задачи исследования 51
ГЛАВА 2. Аппаратура и методики исследования параметров качества поверхности стекла 59
2.1. Изучение качества поверхности с помощью профиллографирования
2.2. Изучение качества поверхности химическим травлением 62
2.3. Выводы к главе 2 , 66
ГЛАВА 3. Исследование влияния различных СОТС на качество абразивной обработки стекла
3.1. Аппаратура и методики трибомеханических исследований ~
процесса абразивной обработки стекла в среде испытуемых СОТС
3.1.1. Стенд для исследования процесса плоского шлифования стекла... 73
3.1.2. Химический состав и свойства исследуемых СОТС 76
3.2. Влияние составов СОТС на интенсивность резания и качество ~а
поверхности при плоском шлифовании
3.2.1. Описание эксперимента 78
3.2.2. Влиянии СОТС на интенсивность шлифования стекла 78
3.2.3. Влияние СОТС на качество обработанной поверхности 81
3.3. Выводы к главе 3 83
ГЛАВА 4. Исследование механизмов влияния исследуемых составов сотс на стекло
4.1. Исследование смазочных свойств СОТС 94
4.2. Исследование поверхностной активности СОТС 98
4.3. Влияние составов СОТС на механические свойства поверхности
4.4. Выводы к главе 4 109
Основные выводы по работе 116
Список используемой литературы
- Особенности технологий механической обработки стекла
- Изучение качества поверхности химическим травлением
- Стенд для исследования процесса плоского шлифования стекла...
- Исследование поверхностной активности СОТС
Введение к работе
Актуальность работы: Хрупкие неметаллические материалы на основе стекла в силу своих уникальных прочностных и эксплуатационных характеристик в последнее время стали незаменимы для применения в условиях агрессивных сред океана и космоса, в самолето- и ракетостроении. Жесткие условия эксплуатации предъявляют повышенные требования к качеству формируемой поверхности при механообработке. Для удаления дефектного слоя после механической обработки часто применяют химическое полирование. Длительность полирования во многом определяет экономическую эффективность всего процесса изготовления изделия.
Известно, что дефектность поверхности технических стекол и си-таллов зависят от уровня силового воздействия на обрабатываемый материал абразивом режущего инструмента. Снижение напряженно-деформированного состояния поверхности в зоне обработки, например, за счет применения эффективных СОТС является одним из основных путей уменьшения ее дефектности. Уменьшение величины напряжений в зоне возможно с помощью СОТС, содержащим в своем составе химические инактивные присадки, обладающие пластифицирующим и диспергирующим действием. К таким присадкам относятся, прежде всего, поверхностно-активные вещества (ПАВ), обладающие повышенной адсорбционной способностью к поверхностям твердых тел и снижающим прочность поверхности за счет уменьшения их поверхностной энергии и снижении работы пластической деформации.
Сведения о влиянии технологических сред различной природы и степени активности по отношению к обрабатываемому материалу на изменение глубины и структуры дефектного слоя при различных видах механической обработки стекломатериалов ограничены. Большое разнообразие видов стекол, видов и режимов обработки и используемого инструмента затрудняют разработку универсальных составов технологических сред. Этим определяется актуальность настоящей работы.
Диссертационная работа частично выполнялась за счет гранта Минобразования РФ «Фундаментальные исследования в области технических наук» (2001-2002), гос. per. № 01.2.00 104062.
Цель работы: исследование влияния составов синтетических СОТС на качество абразивной обработки стекла
Объект исследования: процесс абразивной обработки стекла алмазным инструментом с использованием СОТС.
ПАЦИОИАЛМІАЯ J ІЬЛНОТЕКА ш
Научная новизна работы:
Изучено влияние новых смазочных композиций синтетических СОТС на водной основе на трибо-механические параметры процессов и качество механической обработки стекла.
Предложен новый метод изучения состояния поверхности стекла после механической обработки, заключающийся в более детальном анализе профилограммы и количественном определении параметров субмикроструткры рельефа поверхности.
Практическая ценность работы:
Даны рекомендации по синтезу составов синтетических СОТС, способствующих улучшению качества поверхности деталей из стекла на различных операциях алмазно-абразивной обработки.
Создано программное обеспечение для автоматизированного расчета параметров субструктуры обработанной поверхности стекла по профилограммам с целью более полной оценки ее качества.
Реализация результатов работы. Результаты работы переданы в виде рекомендаций на предприятие ЗАО Приволжский ювелирный завод "Красная Пресня", г.Приволжск Ивановской области
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учены «Молодая наука — XXI веку» (Иваново, 2001) и «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, 2002, 2003 и 2004); на Межвуз. семинар. «Физика, химия и механика трибосистем» (Иваново, 2003 и 2004) ; на 1-й Междунар. науч. конф. «Молекулярная биология, химия и физика неравновесных систем» (Иваново, 2002); на V Междунар. науч.-техн. интернет конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» (Орел, 2004).
Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в четырех статьях, одном докладе, четырех тезисах докладов и одном отчете о НИР.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, трех приложений и списка литературы, содержит 149 страниц печатного текста, 13 таблиц, 43 рисунка, 115 литературных источников, 3 приложений
Особенности технологий механической обработки стекла
Для каждой из операции обработки резанием важными являются трибологические параметры обработки, которые определяют энергозатраты на обработку, интенсивность изнашивания инструмента и качество обработанных деталей. Значение трибологических проблем как в глобальном масштабе, так и в сфере конкретных технологических процессов, трудно переоценить. Актуальность, оптимального решения трибологических проблем, возрастает в следствии развития авиации, энергетики, электроники. Такая тенденция справедлива не только для трения в узлах и деталях машин, но и для операции обработки резанием, В связи с этим роль смазочно-охлаждающих сред (СОТС) весьма велика, Разработка новых технологических смазочных материалов, правильный подбор высокоэффективных присадок имеют большое значение для совершенствования процессов механообработки резанием.
Наряду с явным прогрессом в деле создания и применения эффективных СОТС, в этой области имеется еще много нерешенных вопросов, главным образом связанных с изучением физико-химических аспектов действия среды в зоне резания. Становиться ясно, что без использования знаний, накопленных в сфере обще трибологии, физической и коллоидной химии, развития новых теоретических подходов невозможно выбрать концептуальную основу конструирования и рационального использования новых СОТС. Такая методология, связанная с исследованиями на стыке различных отраслей естественных наук и технологии, характерна для исследовательской школы профессора В.Н. Латышева (Ивановский государственный университег) [61].
Рассмотрим классификацию и составы существующих СОТС. Базовые среды.
Газообразные среды. Самой распространенной СОТС является атмосферный воздух, который может служить базовой основой для дисперсных СОТС - аэрозолей. Кроме воздуха известно применение в качестве базовых газообразных СОТС азота, кислорода, двуокиси углерода [27]. аэрозоли представляют собой дисперсии твердых или жидких присадок в газовой среде. Применяются в качестве основной СОТС и лары сжиженных газов, а также водяной пар. Пары могут использоваться в качестве пропеллентов, то есть таких базовых сред, которые при вскипании увлекают за собой и распыливают введенные в них продукты. В качестве пропеллентов могут использоваться, например, фреоны.
Жидкие среды. Вода, Как известно, за редкими исключениями в качестве базовых жидкостей - основы СОТС - применяют воду или нефтяные масла Учитывая резкое различие в теплофизических свойствах водной и углеводородной среды, альтернатива выбора определяется из условия требуемых охлаждающих свойств среды.
Большое влияние на качество приготовляемой водной СОТС оказывает состояние воды, ее солевой состав. Существенную проблему представляет устойчивость эмульсий, приготавливаемых на жесткой воде. Имеются данные, что лучшие результаты по резанию могут быть достигнуты при приготовлении СОТС на деионизированной воде. Во всяком случае, при приготовлении водосмешиваемых СОТС всегда рекомендуется предпринимать по умягчению, обезжелезнению, деионизации и обеззараживанию воды.
Минеральные масла. При приготовлении масляных СОТС используют минеральные масла вязкостью (5...25) 106 м2/с при 50 С.
Основными показателями, кроме вязкости, у масел являются вязкостно температурные зависимости, химическая стабильность, антифрикционные, антишносные характеристики. Для масел включаемых в СОТС необходимо наиболее плотно удалять из масляных дистиллятов ароматические и нафтено-ароматические углеводороды, а также смолисто-асфальтеновые вещества, которые не только ухудшают технологические свойства масел, но и являются вредными в контакте с кожей человека.
Металлические расплавы. Находят довольно редкое применение в практике. Используются, как поверхностно-активные СОТС для резания труднообрабатываемых металлов и сплавов.
Функциональные присадки. Роль присадок в СОТС. Индивидуальные жидкости, такие как вода и даже нефтяные смазочные масла в свете современных требований отличаются недостаточной технологической эффективностью, что требует введения в состав базовой охлаждающей среды особых химических соединений — присадок. Результаты процесса трения и резания металла определяются в ряду прочих условий также природой и концентрацией присадок в СОТС.
К наиболее значимым присадкам для водных СОТС относятся присадки, улучшающие смазывающие свойства, ингибиторы износа, присадки высокого давления (ВД), ингибиторы коррозии, эмульгаторы, биоциды, смачиватели, антивспениватели, присадки стабилизаторы. В качестве присадок могут применятся как органические , так и неорганические соединения. Как установлено многочисленными исследованиями, состав СОТС влияет практически на все параметры процесса резания: силы, температуру, износ инструмента и качество обработанной поверхности.
Изучение качества поверхности химическим травлением
Химическое травление поверхности - обработка ее в специальных реактивах - травителях, один из широко применяемых методов выявления дефектов поверхности. Например, в металловедении с ее помощью можно выявлять границы зерен, дислокации, фазовые включения в сплавах и т.п. Суть метода заключается в различной скорости травления различных участков поверхности, в результате которого проявляется характерный микрорельеф. Скорость травления участков зависит от их химической однородности и наличия внутренних напряжении. Стекло является химически стойким материалом и для травления стекла применяют специальные травители состоящие как правило из нескольких кислот.
Химическая полировка стеклянных изделий основана на взаимодействии стекла со смесью кислот: плавиковой и серной. Главной частью смеси является плавиковая кислота, которая, вступая в реакцию со стеклом, образует газообразный фтористый кремний и фториды окислов металлов, входящих в состав стекла. Плавиковая кислота быстрее оказывает действие на шлифованную поверхность, растворяя микронеровности, делает ее прозрачной, блестящей. При полировке в контактной зоне стекло-жидкость происходит ряд химических реакций, большинство которых являются необратимыми.
Фториды и кремнефториды, образующиеся при взаимодействии плавиковой кислоты со стеклом, в большинстве малорастворимы и очень быстро покрывают плотным слоем всю поверхность стекла.
Вводимая в полирующую смесь серная кислота взаимодействует с выделяющимися фторидами и кремнефторидами, превращая их в легко смываемые сернокислые соли.
Стекло химически однородно. Поэтому при травлении химическое разрушение стекла происходит преимущественно вдоль микротрещин, сделать структуру трещин более контрастной. Кроме выявления трещин химическое травление очищает поверхность от загрязненений продуктами обработки.
Достаточно продолжительное травление позволяет существенно уменьшить дефектность поверхности за счет удаления верхнего дефектного слоя с большим количеством неглубоких трещин. Качество поверхности при этом улучшается. Процесс получил название химическая полировка. На производстве химическая полировка применяется как промежуточный этап перед финишной полировкой на полировочном круге, Операция химической полировки была использована нами для выявления скрытой дефектности поверхностного слоя.
Изучение качества поверхности после механической обработки методом травления проводили на образцах калий-свинец-силикатного стекла применяемого на ЗАО Приволжском ювелирном заводе "Красная Пресня" г. Приволжск Ивановской области, в качестве имитаторов полудрагоценных камней.
Химическая полировка производилась в специализированно оборудованном химическом боксе. Как было сказано выше, процесс химической полировки во многом зависит от состава, концентрации и температуры рабочей полирующей смеси, изменение одного или другого параметра могло привести к значительным изменениям процесса травления, что недопустимо в нашем случае.
Концентрация полирующей смеси была взята в точности такая же как и на производстве. Рабочий полирующий раствор представляла собой смесь серной концентрированной кислоты, плавиковой кислоты и воды: H2S04 - 58%, HF - 34%, Н20 - 8%.
Температура рабочей полирующей смеси была 40 С. Данная температура поддерживалась постоянно. Это достигалось путем термостатирования кюветы с полирующей смесью внутри химического бокса.
Химическая полировка образцов производилась циклами "травление—промывка". Промывка необходима для удаления продуктов травления. После промывки осуществлялся контроль качества поверхности путем профилографирования. Промывку осуществляют в теплой проточной воде. На производстве число таких циклов составляло 6, с временем погружения полирующих образцов в травитель на 5 сек. Чистовая же полировка включает в себя от 10-ти до 12-ти циклов химической полировки.
Стенд для исследования процесса плоского шлифования стекла...
Если мы подставим наши даны в уравнение (3.8) то получим І2=1,5 і і, что показывают эксперименты (рис. 3.1).
Влияние скорости шлифования. Как было сказано выше (п.3.2.1.) шлифование производилось на трех испытуемых скоростях, а именно 7 м/с, 10 м/с и 12 м/с (в тексте и на графиках может встречаться обозначение: VI, V2 и V3, скорости шлифования по возрастанию). Экспериментальные данные представлены на рис. 3.2. Из графиков можно отметить, что интенсивность съема стекла различна в различных скоростных диапазонах шлифования и определяется видом СОТС. Нами был введен коэффициент относительной эффективности работы СОТС, который может отразить ее эффективность, в определенном режиме обработки, по отношению к другим СОТС.
Расчет коэффициента относительной эффективности СОТС заключается в следующем: в определенном режиме обработки для каждой СОТС сначала рассчитывался коэффициент Кр. Получается система состоящая из коэффициентов Кр для каждой СОТС на определенном режиме обработки (см. приложение 2). Из данной системы выбирался наименьший Кр, и производилось отношение коэффициентов каждой СОТС данной системы к минимальному, тем самым получая коэффициент относительной эффективности СОТС. Была построена зависимость (рис. 3.3) влияния скорости на интенсивность шлифования, а именно зависимость коэффициента относительной эффективности СОТС от скорости шлифования. Для повышения статистической достоверности значения коэффициента для стекол трех типов определялись по отдельности а затем складывались. Таким образом, если на данном режиме обработки интенсивность шлифования в СОТС оказывалась наименьшей для всех трех видов стекол, значение коэффициента оказывалось равно трем.
Из представленных данных можно отметить, что в областях низких скоростей резания более эффективно работают такие СОТС как вода проточная, готовое моющее средство, этиленгликоль и лаурилсульфат, но с повышением скорости резания их эффективность падает и включаются в работу другие СОТС. В областях с более высокими скоростями резания эффективнее работают такие технологические среды, как сода, ДНСА, смесь лаурилсульфата и изопропилового спирта, но более эффективной оказывается смесь ДНСА и изопропилового спирта.
Важную сторону исследования занял анализ влияния вида СОТС при различных режимах на качество поверхности.
На качество поверхности изменение нагрузки практически не оказывает ни какого влияния на шероховатость обработанной поверхности, как можно заметить из рис. 3.4. Параметр шероховатости Ra для всех видов СОТС и стекол лежит в диапазоне 0,50...0,95 мкм. Увеличение нагрузки приводит к незначительному возрастанию Ra на 0,1...0,2 мкм. Скорость шлифования также практически не меняла микрорельеф поверхности рис. 3.5., скорость влияет только на эффективность работы СОТС. Как видно из рис. 3.5., вид СОТС не влияет явным образом на шероховатость поверхности. Как же тогда влияет СОТС на качество поверхности, всего скорее вид технологической среды влияет на дефектность обработанной поверхности, на структуру субмикротрещин дефектного слоя. Раскрытие этого влияния СОТС нам позволяет метод химического травления поверхности, который был детально описан в главе 2 п.2.2. Операция химического травления был использована нами для выявления скрытной дефектности поверхностного слоя. Аналитические данные представлены на рис. 3.6 и рис.3.7. Анализ структуры субмикронеровностей поверхности показал отличия ее состояния при обработке в различных СОТС. Особенно это выявляется при химическом травлении (рис. 6-8). Установлено, что с применением СОТС с присадками ПАВ при шлифовании глубина субмикронеровностей, фиксируемых профилографом, без химического травления больше, чем после обработке в воде. Это свидетельствует о том, что процессы трещинообразования в поверхностном слое в таких СОТС протекают более интенсивно, чем достигается высокая диспергация поверхностного слоя и его более интенсивное удаление абразивными зернами.
С ростом числа циклов химического травления характер распределения субмикротрещин в поверхности, обработанной в разных СОТС, изменяется. После четвертого цикла травления глубина субмикронеровностей для поверхности обработанной в воде становится больше по сравнению с субмикронеровностями поверхности, обработанной в ПАВ содержащей СОТС, и такая закономерность сохраняется при всех последующих циклах травления. Следовательно, скрытая дефектность такой поверхности выше.
Таким образом, можно сделать вывод о том СОТС с присадками ПАВ формируют поверхность, химическое полирование которой протекает быстрее, поверхность получает с менее выраженным рельефом, что является благоприятным фактором для последующего чистового механического полирования.
Исследование поверхностной активности СОТС
Независимые переменные x!sX2,... ,XN принято называть факторами, а их значения (для каждого фактора я значений) - уровнями факторов. Если в эксперименте выявляется зависимость у от одного фактора х, то такой эксперимент называют однофакториым. Когда на у влияет несколько факторов, то имеет место многофакторный эксперимент.
Необоснованно завышенное число уровней факторов я, имеющее место при использовании методики однофакторного эксперимента, приводит при многофакторном исследовании к резкому увеличению необходимого числа опытов (tfv). Так, например, для полного исследования влияния четырёх факторов, каждый из которых может принимать по 5 значений (5 уровней), потребуется проделать 54=625 различных комбинаций экспериментов. Поэтому для рационального сокращения числа опытов пользуются научной дисциплиной - МТПЭ.
Таким образом, ПЭ представляет собой новый подход к исследованиям, который позволяет успешно решать наиболее важные для исследователя вопросы: сколько и каких опытов следует провести, как обработать их результаты, чтобы решить поставленную задачу с заранее заданной точностью при минимально возможном числе опытов.
Для сокращения числа опытов мы воспользовались методом рационального планирования, описанным в работе [84]. Рациональное планирование экспериментов позволяет при минимальном числе опытов наиболее равномерно охватить всю площадь таблицы возможных сочетаний влияющих факторов. В этом случае эксперимент планируется так, чтобы ни в одной строке и ни в одном столбце не было повторных сочетаний.
Для проведения опытов мы воспользовались планом, показанным на рис. 4.4., 4,5. Данный план предназначен для исследования влияния четырёх факторов, каждый из которых может принимать пять значений.
Номер столбца средних (по значению) квадратов соответствует номеру уровня фактора хі, а номер строки средних квадратов — номеру уровня фактора хз. Из 25 возможных сочетаний факторов xj и хц в каждом из средних квадратов мы выбираем только одно, обозначенное клеткой с цифрой, причем в каждой строке и в каждом столбце мелких квадратов должна быть только одна такая клетка. Нетрудно убедиться, что для каждого уровня одного из факторов, например для Х[=1 все уровни прочих факторов встречаются одинаково часто. Так, в этом случае: х2=3, 4, 5, 2, 1; х3 =1, 2, 3, 4, 5 и Х4=1, 2, 3, 5, 4. Поэтому при определении результатов для xi=l влияние трех других факторов усреднится и результат будет соответствовать Хгср-З; х3ср"3; х4ср=3. Таким образом, данная методика позволяет заменить полное число сочетаний влияющих факторов, равное 625, всего лишь 25 специально подобранными сочетаниями факторов, т, е. сократить объем экспериментов в 25 раз.
Кодировка и уровни варьирования факторов в эксперименте приведены в табл. 2.3. Эксперимент проводился при пяти уровнях концентрации вещества в растворе - 0; 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4 %.
Порядок заполнения большого комбинационного квадрата - плана эксперимента, т.е. последовательности опытов с необходимым сочетанием факторов, производился методом латинских квадратов. Помещается средний квадрат в окружении четырех таких же средних квадратов, примыкающих к нему крест-накрест.
Пронумеруем в среднем квадрате все клетки от 1 до 25. Центральную клетку в большом квадрате обозначим цифрой 13, т. е. цифрой, располагающейся в центральной клетке среднего квадрата. Затем отметим клетки отдельного среднего квадрата, идущие по диагонали слева направо и сверху вниз I, 7, 13, 19, 25, и аналогичные им клетки в третьем столбце большого квадрата просто сверху вниз. Отметим также клетки отдельного среднего квадрата, идущие сверху вниз и справа налево, 5, 93 13, 17, 21 и аналогичные им клетки в третьей строке большого квадрата, идущие справа налево. Таким образом, клетки, располагающиеся на диагонали отдельного среднего квадрата 1,7, 13, 19, 25, расположатся на большом квадрате вдоль крутой наклонной линии в третьем столбце. Клетки, располагающиеся вдоль другой диагонали 5, 9, 13, 17, 21, при переносе со среднего квадрата на большой квадрат расположатся полого в третьей строке большого квадрата.
Если использовать этот же прием, но отсчет вести не от центральной клетки 13, а от какой-либо другой, например 19, то придется продолжить диагональ в квадраты, примыкающие к отдельному среднему квадралу, т, е. взять клетки 2, 23, 19, 15, 6. При переносе этих клеток в большой квадрат они расположатся вдоль ломаной линии в четвертой строке большого квадрата. Продолжая это построение, получаем расположение всех 25 клеток в большом комбинационном квадрате, причем все клетки будут иметь различные номера, т. е. соответствовать различным сочетаниям первичных факторов.
Результаты проведенных экспериментов представлены в табл. 4.1. Каждый опыт проводился не менее пяти раз. Дисперсия воспроизводимости опыта составила 1...3%. Максимальная микротвердость стекла соответствует микротвердости в дистиллированной воде - 943 ЯК При использовании многокомпонентных растворов исследуемых веществ микротвердость колебалась в диапазоне от 640 до 850 HV. Относительное снижение микротвердости составляло до 30% от максимального значения. Отмегим то, что в водопроводной воде твердость оказалась на 17% ниже, чем в дистиллированной.
