автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности финишной обработки деталей из поликорундовой керамики связанным абразивом

ЯКОВЧИК Евгений Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИНИШНОИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИКОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ СВЯЗАННЫМ АБРАЗИВОМ

специальность 05.02.07 — технология и оборудование механической и физико-технической обработки

- 3 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2011

4858987

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Куликов Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Марков Владимир Викторович

кандидат технических наук Комельков Вячеслав Алексеевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Центральное конструкторское бюро специальных радиоматериалов» г. Москва

Защита состоится «/У•> ноября 2011 года в на заседании диссертационного совета ДМ 212.062.03 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» по адресу 153004, г. Иваново, проспект Ленина д. 136, ауд. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» (153025, г. Иваново, ул. Ермака, д. 37).

Автореферат разослан « /О » октября 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета

. В. Новиков

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования:

В приборостроение в настоящее время широко используют керамические материалы. В то же время они находят широкое применение и в других областях техники. Керамика за счет своих уникальных свойств используется в качестве деталей машин, режущего инструмента, приборов, радиоэлектронной аппаратуры.

Конфигурация керамических деталей после обжига вследствие деформаций может значительно отличаться от указанной на чертеже. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку. Поэтому использование алмазно-абразивной обработки является необходимым условием получения изделий высокого качества.

Для снятия больших припусков при шлифовании необходимо выбирать такое оборудование, инструмент и технологические режимы, которые обеспечат высокую производительность процесса обработки и необходимые показатели качества функциональных поверхностей.

Известно, что шлифование оказывает значительное влияние на формирование окончательного слоя детали, получаемого после операций доводки и выглаживания. Поэтому разработка эффективного процесса шлифования позволит сформировать окончательное качество получаемых минералокерамических деталей и обеспечить эффективность процесса механической обработки в целом.

Работы многих ученых свидетельствуют о сложности механических и физико-химических взаимодействий в зоне резания. В настоящее время нет достаточно полных сведений о процессах, протекающих в зоне контакта абразивного инструмента и хрупкого керамического материала. Поэтому проведение исследований с целью повышения производительности и улучшения качества обработанной поверхности путем регулирования контактных процессов в зоне диспергирования керамики является актуальной задачей.

(о

Цель работы:

Повышение эффективности чистовой обработки поликристаллических материалов связанным абразивом.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Установить связь между показателями качества и структурными особенностями обрабатываемой керамики.

2. Разработать режимы шлифования, позволяющие улучшить показатели качества обработки керамики.

3. Улучшить управление процессом резания керамики связанным абразивом путем использования эффективных СОТС.

4. На основании моделирования термодинамики процесса получить теоретическую функциональную зависимость производительности обработки поликорундовой керамики связанным абразивом от технологических условий.

5. Провести промышленную апробацию работы.

Методы исследования:

Физическое моделирование реального технологического процесса, методы статистической обработки результатов, лабораторные методы механических и физико-механических испытаний.

Достоверность полученных результатов:

Основные результаты и выводы настоящей работы обеспечиваются корректным применением известных экспериментальных методик , применения методов статистической обработки экспериментальных данных, адекватностью построенных регрессионных моделей.

Научная новизна исследования:

1. Установлена прямая корреляционная зависимость шероховатости обработанной поверхности от разброса микротвердо-

сти поверхности, а также от параметров зерна керамического материала.

2. Предложена новая схема алмазного шлифования керамики с использованием алмазных кругов, работающих торцем, позволяющая обеспечить шероховатость поверхности ниже 0,63 мкм.

3.На основании моделирования термодинамики процесса получена теоретическая функциональная зависимость производительности обработки поликорундовой керамики связанным абразивом от технологических условий.

Практическая ценность:

1. По результатам исследований на основе существующих теоретических подходов установлено существенное положительное влияние схемы тонкого алмазного шлифования изделий из керамики ВК 100-1 в виде пластин 60x48x1 мм, на качество деталей.

2. Предложена эффективная смазочно-охлаждающая технологическая среда, что в совокупности с рационализацией режимов обработки связанным абразивом, позволило повысить в производственных условиях выход годных изделий на 10% по всему производственному циклу.

3. Промышленная апробация результатов на базовом предприятии показала, что предложенные технологические мероприятия привели к улучшению показателей качества поверхности, сокращению времени обработки, санитарно-экологических условий производства, повышению коэффициента выхода годных изделий на 10% по всему производственному циклу.

Соответствие паспорту специальности:

Содержание диссертации соответствует следующим областям исследования, указанным в паспорте специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» п. 2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных фи-

зических и химических воздействий» и п. 3 «Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки».

Апробация:

Основные положения диссертационной работы были озвучены на научно-практических конференциях: Научно-практическая конференция «НЕДЕЛЯ НАУКИ» - 2008 «Наука -транспорту» (Москва, МИИТ) Девятая научно-практическая конференция "Безопасность движения поездов", (2008, Москва, МИИТ), Региональная научно-практическая конференция (2008, Филиал МГИУ г. Кинешма), Межвузовская научно- техническая конференция «Поиск» (2009, Иваново, ИГТА )

Публикации

Опубликовано 7 печатных работ общим объемом 1,3 п.л., лично автору принадлежит 0,7 п.л., в том числе 2 публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК

Реализация результатов работы

Результаты данной работы успешно прошли производственные испытания на ОАО ЦКБ «СПЕЦРАДИОМАТЕРИАЛОВ» (г. Москва)

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав и выводов. Содержит 106 страниц машинописного текста, 18 рисунков, 9 таблиц, библиографию из 111 наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложена новизна, практическая ценность, апробация работы.

В первой главе представлен обзор работ, рассматривающих анализ основных физических процессов, сопровождающих финишную обработку связанным абразивом.

Отмечается, что шлифование представляет собой сложный процесс массового динамического воздействия абразивных зерен на обрабатываемый материал, происходящий при активном участии внешней среды, в которой происходит снятие тончайших стружек. При этом в зоне резания протекает совокупность механических и физико-химических процессов воздействия абразива и внешней среды. Данный процесс сопровождается пластическими деформациями и выделением в зоне резания большого количества тепла. Напряженное состояние в основном зависит от превалирующего действия теплового или силового факторов.

Кроме влияния отмеченных особенностей, поверхностные слои испытывают со стороны зерен циклические динамические нагрузки, приводящие к накоплению усталостных повреждений и последующему разрушению деформируемых микрообъемов, что значительно усложняет процедуру математического описания процесса и его алгоритмизацию.

Процесс шлифования сопровождается пластическими деформациями и выделением в зоне резания большого количества тепла. Напряженное состояние материала в основном зависит от превалирующего действия теплового или силового фактора. При шлифовании превалирующее влияние на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор. Под действием высоких температур в тонком поверхностном слое происходят структурные превращения, обусловленные объемными изменениями материала. Выделяющееся тепло при шлифовании в зоне контакта круга с деталью приводит к почти мгновенному локальному нагреву тонких поверхностных слоев материала, снижая при этом до минимума его модуль упругости. Последующее быстрое охлаждение поверхностных слоев сопровождается их сжатием. Сравнительно холодные глубинные слои материала

препятствуют сжатию поверхностных слоев. В результате во внешних слоях материала возникают остаточные напряжения растяжения, а в нижележащих слоях уравновешивающие их напряжения сжатия.

В условиях комбинированного взаимодействия различных процессов в зоне резания единственно возможным методическим подходом к алгоритмизации является системно-структурный анализ. Каждая система состоит из множества элементов (подсистем), имеющих под собой реальные физические связи и обладает свойством относительной устойчивости в определенных границах изменения ее переменных. Фиксация состояния относительной устойчивости позволяет стабилизировать процесс резания, составить физико-математическую модель и появляется возможность проектирования относительно управляемого технологического процесса при стохастических элементах этой системы.

Вторая глава содержит сведения об используемом оборудовании, средствах измерения и методиках проведения эксперимента.

На предварительной обработке для снятия основной части припуска — станок ЗД 756 с сегментным алмазным кругом и на чистовой операции — ЗГ 71 с алмазным кругом 1А1 АС4 63/50 В2-01(Б1),4 на органической связке.

При использовании схемы тонкого алмазного шлифования эксперимент проводился на стенде, собранном на базе доводочного станка 2ШП-200М с использованием алмазных кругов типа АЧК и АПВ, работающих торцем.

В качестве объекта исследования использовались пластинки размером 60x48x1 мм корундовой керамики ВК100-1, содержащей 99,8 % оксида алюминия.

Физико-механические свойства поверхности исследовались с помощью микротвердомера ПМТ-3 по стандартной методике (ГОСТ 9450-76). Для исключения влияния краевых эффектов и масштабного фактора предел прочности при осесимметричном изгибе определялся с использованием специального приспособления спроектированного для обеспечения равенства радиальных и кольцевых моментов в заделке и центральной зоне. Это

позволяет нагрузить наибольшую площадь пластинки максимальными изгибающими моментами.

Весовой съем материала определялся взвешиванием образцов до и после доводки на аналитических весах марки АДВ-200 с точностью ±0,1 мг.

Линейный съем контролировался в 5 точках образца мик-рокатором типа 1 ИГГ1 с ценой деления 1 мкм.

Шероховатость доведенной поверхности (по ГОСТ 2789-83) определялась на профилометре - профилографе завода «Калибр» в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Радиус ощупывающей иглы прибора — 2 мкм.

Характер разрушения поверхности образцов алмазными зернами изучался с помощью оптического микроскопа МБИ-б и электронного микроскопа «Тесла» В8-300. Наиболее характерные виды поверхностей фиксировались на снимках.

Третья глава посвящена анализу взаимосвязи показателей механических свойств поверхностного слоя с показателями микрогеометрии поверхности путем формирования технологических сред соответствующего качества.

Исследован характер распределения микротвердости поверхности подложек, разброс значений которой говорит о значительной неоднородности показателей механических свойств поверхности.

Исследован характер распределения размеров зерна керамики и установлена корреляция с распределением параметра шероховатости Ка шлифованной поверхности.

Проведена оценка связи пористость - качество поверхности и установлена корреляция этих показателей: при пористости < 2 % параметр Яа <1,25 (У7), а пористости > 2% соответствует параметр Еа > 1,25.

На рис. 1 изображен анализ связи структура - шероховатость поверхности:

Рис.1 Анализ связи структура - шероховатость поверхности:

а) эмпирическое распределение размера зерна по величине:

1 - подложек с 11а < 1,25; 2 - подложек с 11а > 1,25;

б) эмпирическаякривая распределения параметра поверхности.

Четвертая глава посвящена вопросам установления степени влияния технологических факторов на эффективность формирования микропрофиля поверхности пластинки, и оптимизации данных факторов. Для этих целей проводился эксперимент с использованием типового оборудования. На предварительной обработке для снятия основной части припуска - станок ЗД 756 с сегментным алмазным кругом и на чистовой операции - ЗГ 71 с алмазным кругом 1А1 АС4 63/50 В2-01(Б1),4 на органической связке. В качестве СОТС применялся 2% раствор кальцинированной соды. Подача СОТС осуществлялась поливом.

Эксперимент проводился при постоянной скорости шлифования Уш = 35 м/с, которая рекомендуется для керамики. В качестве переменных факторов процесса были приняты: продольная подача стола 8пр = (5 - 20) м/мин; поперечная подача 5П0П = (1 -9) мм/ход; глубина шлифования I = (10 - 30) мкм; расход СОТС О = (0,6- 1,4)см3/с.

Оценка качества обработки проводилась по средним и максимальным значениям параметра Я0 (11 а и К "их) для каждой партии подложек. Измерения проводились на 5 участках подложки, в четырех по периметру и одном по диагонали.

По результатам проведенных исследований построены зависимости, изображенные на рис. 2.

20 25 30

Рис2. Зависимость параметров шерошоватости Яа (1, 3, 5, 7) и Яа"шх (2, 4, 6, 8) от продольной подачи: 3„раг> (1, 2); от поперечной подачи: 8„оп (7, 8); глубины шлифования: / (5, 6); расхода СОТС: я а 4).

Наибольшее влияние на шероховатость шлифованной поверхности оказывает продольная подача 8пр, с увеличением которой в исследованном диапазоне параметры Ка и уменьшаются (кривые 1 и 2). Зависимость шероховатости обработанной поверхности от глубины резания 1 носит экстремальный характер (кривые 5 и 6).

Поперечная подача (кривые 7, 8) и расход СОТС (кривые 3, 4) не оказывают существенного влияния на параметры шероховатости поверхности.

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 фор-

мирует термосиловые условия нагружения поверхностных слоев при взаимодействии круга и заготовки .

Значительно улучшить показатели качества можно путем использования более "мягкой" схемы обработки - тонкого шлифования 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.

Эксперимент проводился на стенде, собранном на базе доводочного станка 2ШП-200М.

Таблица 1. Влияние режима обработки па шероховатость поверхности (11а) на операции тонкого алмазного шлифования.

Окружная скорость, м/с Продольная подача, и/мнн Средняя

2,6 3,1 4,6 6,1

Высота микронеровностей, Бя, мкм

6,0 0,27 0,22 0,34 0,38 0,30

10,0 0,20 0,18 0,20 0,19 0,19

15,0 0,20 0,14 0,17 0,18 0,17

.19,5 ^ 0,13 0,09 0,16 0,16 0,14

В качестве связок были предварительно опробованы связки Б1.Б156, БР и М04.

Результаты эксперимента представлены на Рис. 3 и Рис. 4. наилучшие показатели по производительности и качеству были получены при использовании металлической связки М04, Органические связки разрушаются более интенсивно, чем металлические. Связка М04, обладающая максимальными теплофизиче-скими и упругими характеристиками является наиболее эффективной. Поэтому дальнейшие эксперименты проводились кругами с данной связкой.

Рис.3. Влияние мощности взаимодействия (Р*У) для различных связок алмазного круга на скорость съема

ч- Ы04 «-Е1

ше-

ц.мкмЛчин

[VI04 -88-61

6156 —— БР

дЛОъ,Зт!м2

113 247 600 626.4 741 1230,5 1521.3

Ш 741 1231 1521

Рис. 4. Влияние мощности взаимодействия (Р*У) для различных связок алмазного круга на шероховатость поверхности (Яа).

На рис.5, изображены экспериментальные зависимости влияния технологических факторов на характер формирования шероховатости поверхности связанным абразивом. Переменными

факторами процесса в эксперименте были скорость резания V =

Рис. 5. Влияние технологических условий обработки на показатели качества шлифованной поверхности минералокерамики кругом АС4 63/50 Б1100%.

1 - шлифование, 2% водный раствор соды; 2 - шлифование, 1% раствор масла касторового; 3 - тонкое алмазное шлифование, 2% водный раствор соды.

Анализ характера распределения параметра Ка при различных технологических условиях обработки свидетельствует о наибольшем влиянии на процесс формирования показателей качества {Ка, 11) схемы обработки (кривая 3). СОТС (кривая 2), как активный субъект технологических условий, также оказывает существенное влияние

Обработка результатов эксперимента позволили получить уравнения регрессии:

д = 15,75 -г10,15Р+ 6,8Р2 +7,2Г- 6,ЗРУ;

Яа = 0,46-0,17 ± 0,06Р - О, ОЗРУ- 0,03 V2;

Анализ зависимостей (Рис.6.) показывает, что на параметр Ка наибольшее влияние оказывает скорость резания. С увеличением скорости резания параметр Яа снижается, а при повышении давления Р шероховатость возрастает, что свидетельствует о важном влиянии тепловой составляющей процесса диспергирования как на операциях предварительной, так и финишной обработки керамических материалов.

Рис. 6: Зависимость высоты микронеровностей Яа от давления Р и скорости резания V. а) при V = 5 м/с 6) при Р = 2x105 Па.

О,! ■■ ---.......

1 2 .1 4

Давление Р х !0\ Па

1.7 2.9 4,1 Скорость резании V. м/с

Автором было проведено исследование влияния типовых СОТС, используемых при обработке керамики на предел прочности при осесимметричном нагружении. В качестве испытуемых СОТС были использованы: 1 - 2% раствор кальцинированной соды в воде; 2 - 1% раствор масла касторового сульфированного; 3 - керосин; 4 - экспериментальная СОТС.В результате анализа установлено, что СОТС №3, №4 не влияют на предел прочности. Наибольшее разупрочняющее действие оказывают водные СОТС (№1 и №2). Уменьшение предела прочности достигает 30% по сравнению с испытанием на воздухе. Таким образом, для чернового шлифования рекомендуемыми составами являются водные растворы, а для чистовых и доводочных операций органические составы или растворы ПАВ.

Рис. 7. Гистограмма влияния внешней среды на показатели прочности минералокерсшики.

1 - 2% раствор кальцинированной соды в воде; 2-1%раствор масла касторового сульфированного; 3 - керосин; 4 -экспериментальная СОТС.

Далее были рассмотрены вопросы оптимизации технологических параметров процесса доводки минерал окерамики ВК 100-1 в производственных условиях с использованием экспериментальной СОТС. Было получено, что экспериментальная СОТС дает наивысшие показатели эффективности шлифования в реальных производственных условиях предприятия.

В пятой главе нами разрабатывалась теория процесса диспергирования, позволяющая прогнозировать результат.

Уравнения структурно- энергетического состояния для систем различного уровня и порядка рекомендуется записывать в виде:

первого- (Ё • = 1У+П, или F • Ус = £>+П*,

второго- Э2/7, = 8ги | д2Аюн [ д^ ;

дМд! 8Мд1 дМд( ' дМд(

третьего- = + а ы±,

д.I дп * Ы

где ^-усилие контактного взаимодействия, Н; Ус - скорость скольжения, м/с; Ж- количество тепла, выделившееся в процессе контактного взаимодействия, Дж; П- механическая составляю-

щая энергобаланса трибосопряжения, 1Тм; Q, П*-тепловой поток механической энергии соответственно, Дж/с.

Рассматривая систему диспергирования (износа) как систему третьего порядка, уравнения, описывающие процесс диспергирования, на основе физико- статистической и структурно- энергетической моделей разрушения, можно представить в виде:

J,„=-x'm-grad{?„y,

ВМ = 1 (Эи д. 8р 8t а„ 8t дп

где Jт- поток массы износа; Тп(г,т)- тензор напряжений;

SM ди_. скорости диспергирования и накопления внутренней dt ' dt

энергии; аи - удельная энергия разрушения (составляет для корунда и алмаза 2,7 и 5,5 соответсвтенно); ц - химический потенциал поверхностных слоев, определяемый в виде функции энергетического воздействия ТС, п- вектор перемещения в направле-

*

нии максимального градиента химического потенциала;

В* - коэффициенты износа и энергомассопереноса (аналогично коэффициентам диффузии и теплопроводности в уравнениях переноса).

В результате выводов, сделанных в работе, для описания интенсивности формообразования поверхностей при тонком алмазном шлифовании предложена зависимость скорости диспергирования как функции термосиловых усилий нагружения, физических характеристик контакта и свойств среды в виде:

, В-К2С ( U-y'-КЛ ( AU)

/.. =-Цгехр----- ,ипи 1и = 1п -ехр--

м VCHV2 Я k-т ) М ° Ч к-т)

где 1М- массовая скорость износа, кг/с; р -плотность, кг/м3; g=9,81 м/с2; B = 2gAlj>p- силовой критерий упруго- пластического контакта, Н/м;

Аф- фактическая площадь контакта, м2, Ас- коэффициент интенсивности напряжений, МП а ■ ми 2; НУ- твердость материала по Виккерсу, микротвердость, МПа; Г-температура в зоне контакта, К;

у - структурная константа материала (масштабный фактор), м"3; Ус- скорость скольжения, м/с; V- внутренняя энергия, Дж; АС/ - энергия активации деформируемого объема, Дне.

Данное уравнение учитывает все основные факторы, влияющие на процесс абразивного разрушения. Так, микрошероховатость поверхности заготовки и упруго-пластические свойства зоны контакта учитываются фактической площадью контакта. Энергетическое состояние структуры учитывается микротвердостью, вязкостью разрушения и стуктурно-чувствительным коэффициентом, а режимы контактного взаимодействия- скоростью скольжения, температурой процесса и контактными нагрузками. Таким образом, экспоненциальная зависимость скорости диспергирования на операциях финишной обработки является основополагающей. Регулируя свойства технологической среды и воздействуя на параметр Кс, возможно управление характером диспергирования. Показатели качества обработанной поверхности определяются взаимодействием технологической среды и материала поверхностного слоя и зернистостью алмазного инструмента.

Основные выводы.

1. Эффективность механической обработки корундовой керамики должна определяется комплексом факторов процесса резания: технологическими условиями, структурой и физико-механическими свойствами обрабатываемой поверхности. Экспериментально установлена корреляционная связь рассеяния параметров шероховатости со значением микротвердости поверхностного слоя и размером зерна кристаллической фазы. Достижение параметра шероховатости < 0,63 мкм возможно с использованием специальных методов обработки - тонкого алмазного шлифования.

2. Установлено, что значительного снижения параметров шероховатости поверхности режимами резания при обычной схеме шлифования керамических поверхностей достичь не удается. Значительно улучшить показатели качества можно путем использования более «мягкой» схемы обработки - тонкого алмазного шлифования с использованием алмазных кругов, работающих торцем.

3. Процесс диспергирования стабилизируется при комплексном воздействии абразивного круга, рабочей среды определенного состава, схемы и технологических режимов операции шлифовании. Технологические режимы назначаются экспериментально в соответствии с приведенной в диссертации методикой в зависимости от конкретных условий организации производства.

4. Установлено, что на операциях обработки связанным абразивом активное влияние оказывает смазочно-охлаждающая технологическая среда (СОТС), осуществляющая комбинированное антиадгезионное, смазочное и диспергирующее действия. Наилучшие результаты обработки и показатели качества поверхности показала используемая в качестве СОТС Экспериментальная СОТС.

5. Получена функциональная зависимость производительности обработки поликорундовой керамики связанным абразивом от технологических условий.

6. Промышленная апробация результатов на базовом предприятии показала, что предложенные технологические мероприятия привели к улучшению показателей качества поверхности, сокращению времени обработки, санитарно-экологических условий производства, повышению коэффициента выхода годных изделий на 10% по всему производственному циклу.

Основные положения диссертации отражены в следующих печатных работах:

1. Яковчнк Е.В., Бахарев В.П., Куликов М.Ю., Нечаев Д.А. Оптимизация алмазной обработки керамики на основе системного анализа с использованием нейросетей// Вестник машиностроения. - 2008.- №12.- С. 31- 35(перечень ВАК), автора- 0,1 п. л.

2. Яковчик Е.В., Бахарев В.П., Куликов М.Ю., Нечаев Д.А. Термомеханический анализ механизмов финишной обработки керамических материалов// Металлообработка.- 2009.-№2(50).- С.16-19 (перечень ВАК), автору- 0,1 п. л.

3. Яковчик Е.В., Нечаев Д.А. Повышение Эффективности чистовой обработки поликристаллических материалов//Наука -транспорту. Материалы научно-практической конференции. -Москва: МИИТ, 2008,- С.56-57, автора- 0,1 п. л.

4. Яковчик Е.В., Нечаев Д.А. Повышение эффективности обработки металлокерамических изделий// Безопасность движения поездов. Материалы научно-практической конференции. - Москва: МИИТ, 2008,-С.-21-22, автора-0,1 пл.

5. Яковчик Е.В., Куликов М.Ю., Бахарев В.П. Регулирование финишной обработки минералокерамики путем использования эффективных алмазных кругов//Материалы научно- практической конференции,- Кинешма: Филиал МГИУ, 2008.- С. 25-26, автора- 0,1 п.л.

6. Яковчик Е.В. Повышение эффективности обработки керамики связанным абразивом//Молодые ученые- развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК 2009). Сборник материалов межвузовской научно-практической конференции. - Иваново: ИГТА, 2009.-С.292-293, автора- 0,1 п. л.

7. Яковчик Е.В., Бахарев В.П., Куликов М.Ю., Нечаев Д.А. Закономерности механической обработки корундовой керамики// Техника и технологии трибологических исследований. - Иваново, 2009.- С. 42-43, автора- 0,1 п. л.

ЖОВЧИК ЕВГЕНИЙ ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИКОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ СВЯЗАННЫМ АБРАЗИВОМ

специальность 05.02.07 — технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.10.2011 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Усл. печ. л. 1.16 Уч.-изд. л. 0.9. Тираж 120.

Издательство «Ивановский государственный университет» 153025 Иваново, ул. Ермака, 39

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состояние - вопроса алмазной обработки керамических изделий.

1.1.1 Физическая сущность процесса шлифования.

1.1.2 Влияние внешней среды на процесс обработки.

1.1.3 Влияние термодинамических явлений процесса шлифования.

1.1.4 Моделирование процесса шлифования.

В приборостроение в настоящее время широко используют керамические материалы. В то же время они находят широкое применение вив других областях техники. Керамика за счет своих уникальных свойств используется в качестве деталей машин, режущего инструмента, приборов, радиоэлектронной аппаратуры и т.д. Однако эти свойства делают возможной механическую обработку заготовок лишь абразивным инструментом. Применение синтетических алмазов в качестве инструмента позволяет резко интенсифицировать процесс обработки керамики, но последняя имеет повышенную хрупкость и, в целом, нестабильные механические свойства. 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. Это ограничивает возможности ее чистовой обработки.

Качество поверхности, производительность, износ и стойкость инструмента определяются свойствами керамики, характеристиками алмазного инструмента, режимами и технологическимичособенностями оборудования. Следовательно, для повышения эффективности механической обработки керамики необходимо изучение закономерностей сложного многофакторного процесса резания.

Технология керамического производства состоит из следующих 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.

Коэффициент усадки при высокотемпературном обжиге случайным образом зависит от вышеприведенных стадий. Поэтому для получения требуемой точности керамических деталей необходимо применение механической обработки, включающей в себя:

- предварительное шлифование;

- чистовое алмазное шлифование;

-доводку.

Конфигурация керамических деталей после обжига вследствие деформаций может значительно отличаться от указанной на чертеже. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку. Для снятия этих припусков при шлифовании необходимо выбирать такое оборудование, инструмент и технологические режимы, которые обеспечат высокую производительность процесса обработки.

Для обеспечения заданной точности размеров и уменьшения глубины нарушенного слоя применяется чистовое алмазное шлифование. Для получения минимальной высоты неровностей обрабатываемой поверхности применяют доводку свободным алмазным зерном.

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"5 до ±1 град"1. Такое разнообразие свойств, определяемое рецептурой и соответствующей технологией изготовления керамики, вносят определенные трудности в проектирование технологического процесса их механической обработки.

При построении технологического процесса механической обработки необходимо учитывать нестабильные механические свойства и низкие прочностные характеристики минералокерамики. При предварительном шлифовании на минералокерамических деталях сказывается значительное температурно-деформационное воздействие, так как на этом этапе происходит наиболее значительный съем припуска и формируется качество ее поверхностного слоя.

Основные выводы по работе.

1. Эффективность механической обработки корундовой керамики должна определяется комплексом факторов процесса резания: технологическими условиями, структурой и физико-механическими свойствами обрабатываемой поверхности. Экспериментально установлена корреляционная связь рассеяния параметров шероховатости со значением микротвердости поверхностного слоя и размером зерна кристаллической фазы. Достижение параметра шероховатости Яа < 0,63 мкм возможно с использованием специальных методов обработки - тонкого алмазного шлифования.

2. Установлено, что значительного снижения параметров шероховатости поверхности режимами резания при обычной схеме шлифования керамических поверхностей достичь не удается. Значительно улучшить показатели качества можно путем использования более «мягкой» схемы обработки - тонкого алмазного шлифования с использованием алмазных кругов, работающих торцем.

3. Процесс диспергирования стабилизируется при комплексном воздействии абразивного круга, рабочей среды определенного состава, схемы и технологических режимов операции шлифовании. Технологические режимы назначаются экспериментально в соответствии с приведенной в диссертации методикой в зависимости от конкретных условий организации производства.

4. Установлено, что на операциях обработки связанным абразивом активное влияние оказывает смазочно-охлаждающая технологическая среда (СОТС), осуществляющая комбинированное антиадгезионное, смазочное и диспергирующее действия. Наилучшие результаты обработки и показатели качества поверхности показала используемая в качестве СОТС Экспериментальная СОТС.

5. Получена функциональная зависимость производительности обработки поликорундовой керамики связанным абразивом от технологических условий.

6. Промышленная апробация результатов на базовом предприятии показала, что предложенные технологические мероприятия привели к улучшению показателей качества поверхности, сокращению времени обработки, санитарно-экологических условий производства, повышению коэффициента выхода годных изделий на 10% по всему производственному циклу. л

1. Абрамзон A.A., Зайченко Л.П. и др. Поверхностно-активные вещества. Синтез, анализ, свойства, применение. Учебн. пособие для вузов. /Под ред. A.A. Абрамзона Л.: Химия, 1988, с. 200.

2. Алехин В.П. Физика, прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. -М: "Наука", 1983, с. 280.

3. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения. М.: "Машиностроение", 1963, с. 462.

4. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. /Пер. с англ. Белого A.B. под ред. Свириденка А.И. М.: "Машиностроение", 1986, с. 400.

5. Балкевич В.Л. Техническая керамика. М.: "Стройиздат", 1984, с. 226.

6. Балыбердин B.C., Бахарев В.П., Смирнов Г.А. К вопросу об отыскании оптимальных критериев оценки механических свойств керамических подложек. /Деп. в ВИНИТИ №5965-В87, Москва, 1987.

7. Балыбердин B.C., Бахарев В.П. О значении физических концепций в исследовании кинетики усталостной повреждаемости материалов. /Деп. в ВИНИТИ №3967-В88, Москва, 1988.

8. Балыбердин B.C., Бахарев В.П., Широкая O.A. Развитие кинетического подхода к суммированию усталостных повреждений. //Известия Вузов. -М.: "Машиностроение", 1994, №7-9, с. 19-28.94j I •

9. Бахарев В.П., Смирнов Г.А., Антюфеева Т.П. Некоторые закономерности финишной обработки изделий из технической керамики. //Технология, автоматизация и организация производства технических систем. Межвузов, об. научн. трудов. М.: МГИУ, 1999.

10. Ю.Бердичевский Е.Г. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки материалов. -М.: "Машиностроение", 1984, с. 224.

11. П.Божко А.Е., Шпачук В.Г1. Деформационный критерий усталостного разрушения материала. // Проблемы прочности. 1985, №12, с. 66.

12. Булычев С.Н., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. -М.: "Машиностроение", 1990, с. 224.

13. З.Бычков Н.Г. и др. Некоторые особенности кинетики деформирования конструкционных материалов при циклическом упругопластическом деформировании. // Проблемы прочности.- 1986, №11, с. 7.

14. Ваксер Д.Б., Иванов В.А., Никитков Н.В. и др. "Алмазная обработка технической керамики." Д.: "Машиностроение", 1976, с. 160.

15. Вассерман H.H., Гладковский В.А. Закономерности упрочнения и накопления повреждений в процессе циклического нагружения стали. Известия ВУЗов. "Машиностроение" 1965 - №2.

16. Верещака A.C., Третьяков И.П. Режущий инструмент с износостойкими покрытиями. -М: "Машиностроение", 1986, с. 190.

17. П.Виноградов В.Н. и др. Абразивное изнашивание. М.: "Машиностроение", 1990, с. 224.

18. Геминов В.Н., Балыбердин B.C. Обобщенная функция накопления повреждений при усталости. Сб. усталость и вязкость разрушения металлов. Изд-во "Наука. "

19. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности / Г.К.Вороновский, К.В.Махотило, С.Н.Петрашев, С.А. Сергеев. Харьков: Основа, 1997. - 112 с.

20. Гогоци Г.А., Гнессин Г.Г., Грушевский Я.JI. и др. Прочность и трещино-стойкость керамики. // Проблемы прочности. 1987, №5, с.77.

21. Головкина Н.Е., Саратов Н.М. Пути повышения прочности керамических материалов.// Аналитический обзор. Обнинск. ФЭИ, 1980.

22. Горбань А.Н. и др. Методы нейроинформатики. Электронная публикация.

23. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатываемых материалов. /С.С. Силин, В.А, Хрульков, Н.С.Рыкунов и др. М.: Машиностроение, 1984. с.64.

24. Гурьев A.B., Богданов Е.П. Закономерности перехода микропластической деформации в макропластическую для структурно-неоднородных металлов. // Проблемы прочности. 1986, №6, с. 35.

25. Дунин Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглых поверхностей. - М.: "Машиностроение", 1978, с. 232.

26. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: "Металлургиз-дат", 1963.

27. Кабалдин Ю.Г. Трение и износ инструмента при резании. // "Вестник машиностроения", №1, 1995, с. 26 32.

28. Кабалдин Ю.Г. Структурно-энергетический подход к процессу изнашивания режущего инструмента. // "Вестник машиностроения", №12, 1990, с. 62-68.

29. Карзов Г.М., Марголин Б.З. Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процесов разрушения. С.-Пб.: "Политехника", 1993, с. 391.

30. Катрич М.Д., Беркович Е.С. и др. Исследование твердости монокристаллов карбида кремния методом царапанья. в сб. "Склерометрия." -М.: "Наука", 1968.

31. Качанов JI.M. Основы механики разрушения. М.: "Наука", 1974.

32. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. М.: "Наука", 1970, с. 247.

33. Кащук В.А. Особенности шлифования конструкционных керамических материалов. //Вестник машиностроения, 1994, №10, с. 21-26.

34. Кисель И.В., Нескоромный В.Н., Ососков Г.А. Применение нейронных сетей в экспериментальной физике, ЭЧАЯ, т.24, вып.6, 1993, с.1551-1595.

35. Клушин М.И. Теория резания. Вводные главы. Горький, 1975.

36. Кобл P.JL, Парих Н.М. Разрушение поликристаллической керамики. /Под ред. Г.Т. Либовица М.: "Мир", т.7, ч.1, с. 634.

37. Ключников C.B. Повышение обрабатываемости поликорундовой керамики при шлифовании путем воздействия на контактные процессы эффективными СОТС. Автореферат диссерт.канд. техн. наук Горький, 1990.

38. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. -М.: "Мир", 1984, с. 624.

39. Костецкий Б.И. и др. Поверхностная прочность материалов при трении. /Под. ред. Б.И. Костецкого Киев: "Техшка", 1976, с. 296.

40. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: "Металлургия", 1976.

41. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: "Машиностроение", 1974, с. 418.

42. Красовский А.Я. Динамика дислокаций и пластический сдвиг в кристаллических твердых телах. // Проблемы прочности. 1969, №1, с.65.

43. Кремень З.И. Доводка плоских поверхностей. Изд-во "Техника", Киев, 1974.

44. Лозицкий Л.П., Игнатович С.Р. Математическая модель процесса накопления повреждений в деформируемых материалах. // Проблемы прочности. 1985, с. 34.

45. Локи М. Оптимизация стохастических процессов. М.: "Мир", 1970, с. 381.51 .Макклинтон Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: "Мир", 1970, с. 443.

46. Маслов E.H. Теория шлифования материалов М.: "Машиностроение", 1974, с. 315.

47. Маталин A.A. Новые направления развития технологии чистовой обработки. -Киев: "Техника", 1972, с. 136.

48. Машиностроение. Терминология: Справочное пособие Вып. 2 - М.: Изд-во стандартов, 1989, с. 432. « . , .

49. Механические свойства металлов. Учебн. для Вузов. /Золотаревский B.C. М.: Металлургия, 1983, с. 352.

50. Мкртчян С.О. Нейроны и нейронные сети. (Введение в теорию фор- < мальных нейронов) М.: Энергия, 1971.-232 с.

51. Новицкий П.В., Зогриф И.А. Оценка погрешностей результатов измерения. JL: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991, с. 304.

52. Орлов П.Н., Полухин В.А. Стенд П8 ТММ для исследования процесса алмазно-абразивной доводки. /Сб. Алмазы, Вып. 4. - М.: НИИМАШ, 1972, с. 11 — 18.

53. Орлов П.Н., Савелова A.A., Полухин В.А. и др. Доводка прецизионных деталей машин. /Под ред. Ипполитова Г.М./ М.: "Машиностроение", 1978, с. 266. .

54. Орлов П.Н. Технологическое обеспечение качества деталей методами доводки. М.: "Машиностроение", 1988, с. 384.64.0робинский В.М. Прогрессивные методы шлифования и их оптимизация. Учеб. пособие/ВолгГТУ.- Волгоград, 1996.-218с

55. Подураев В.Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания. М.: "Машиностроение", 1977, с. 304.

56. Позднышева А.П., Шумячер В.М., Волков М.П. Влияние структурно-механических свойств абразивных суспензий на диспергирование металла при доводке. //Вестник машиностроения, 1986, №1.

57. Полосаткин Г.Д., Соломеин И.А. Исследование механизма образования микроцарапины на металлах в диапазоне скоростей от 0.02 до 120 м/с. -В сб. "Склерометрия., М.: "Наука", 1968.

58. Попов С.А., Малевский Н.П., Терещенко JI.M. Алмазно абразивная обработка металлов и твердых сплавов. - М.: "Машиностроение", 1977, с. 263, (Б-ка технолога).

59. Протодьяконов М.М., Тедер Р.Н. Методика рационального планирования экспериментов. М.: "Наука", 1970, с. 75

60. Райхель A.M., Непомнящий O.A., Шведун В.Г. К вопросу о влиянии масштабного фактора на прочность ситаллов. //Проблемы прочности. -1986, №10, с. 43-46.

61. Ребиндер A.A., Калиновская H.A. Понижение прочности поверхностного слоя твердых тел при адсорбции поверхностно-активных веществ. -Ж.Т.Ф. 1932, №2

62. Романов А.Н. Энергетические критерии разрушения при малоцикловом нагружении. // Проблемы прочности, №1, 1974.

63. Семибратов М.Н. Управление формообразованием оптических поверхностей в процессе притирки. "ОМП", 1970 №11, с. 55-60.

64. Скоростная алмазная обработка деталей из технической керамики. /Н.В. Никитов, В.Б. Рабинович и др. Под ред. З.И. Кремня JL: "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1984, с. 131.

65. Словарь справочник по трению, износу и смазке деталей машин. - Киев: Наук, думка, 1979, с. 188.

66. Смазочно-охлаждающая жидкость для полирования керамики. A.C. №1162862 СССР, кл. С10М 141/12 /Смирнов Г.А. и др. 1983, с.6.

67. Сосновский JI.A. Об оценке долговечности при циклических нагруже-ниях. // Проблемы прочности. 1986 №11, с.16. г—,, mj-j.

68. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов.-М.: "Машиностроение", 1981, с. 184.

69. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки резанием. Справочник. / Под ред. С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера М.: "Машиностроение", 1986, с. 352.

70. Справочник по теории упругости. / Под ред. Варвака П.М., Рябова А.Ф. -Киев: "Будівельник", 1971, с. 320.

71. Справочник по триботехнике. / Под общей ред., М. Хебды, A.B. Чичи-нидзе. Т.1, М.: "Машиностроение", 1989, с. 400.

72. Суслов А.Г., Дальский A.M. Научные основы технологии машиностроения. М.Машиностроение, 2002. 684с. с илл.

73. Тамбулатов Б.Я. Доводочные станки. М.: "Машиностроение", 1980, с. 160.

74. Таратынов О.В. Основы процесса суперфиниширования и пути повышения его производительности и качества. Учебн. пособие М.: МАМИ, 1977, с. 86.

75. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика. -М.:Мир, 1992

76. Формообразование оптических поверхностей. /Сб. под ред. Проф. Ку-манина К.Г. М.: Оборонгиз, 1962.

77. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел -Ташкент: Фан, 1985. „ :.

78. Федоров В.В. и др. Прогнозирование остаточной работоспособности деталей машин. // Проблемы прочности. 1987, №8. •

79. Федоров B.B. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Ташкент: Фан. 1979.

80. Федяев О.И. Куликов С.А. Многоуровневые нейронные модели типа не-окогшлрон. Архитектура, обучение и распознавание. / Тезисы 8-й Всероссийской конференции «Нейрокомпьютеры и их применение» (НКП-2002). М.: Век книги, 2002. с. 144.

81. Филимонов A.B. Структурирование и обучение нейронных сетей с применениями к задачам физической химии и медицины. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Иваново, 2004. - 80 с.

82. Хартман К., Лецкий X. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. -М.: "Мир", 1977, с. 552.

83. Ходаков Г.С., Кудрявцева H.JT. Физико-химические процессы полирования оптического стекла. -М.: "Машиностроение", 1985, с. 224.

84. Хрульков В.А. Взаимодействие алмазного порошкового инструмента со спеченной алюминиевой керамикой при шлифовании. В кн. Синтетические алмазы - ключ к техническому прогрессу. 4.1 - Киев: Наукова думка, 1977-с. 183-190.

85. Хрульков В.А., Матвеев В,С., Волков В.В. Новые СОЖ, применяемые при шлифовании труднообрабатываемых материалов. М.: "Машиностроение", 1983, с. 64. .1

86. Хрульков В.А., Тародей В.А., Головань А .Я. "Механическая обработка деталей из керамики и ситалов." Изд-во Саратовского ун-та, 1975, с. 352.

87. Цеснек JT.C. Статистическая интерпретация механического изнашивания трущихся тел. В кн. Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. - М: "Наука", 1971, с. 176 - 190.

88. Черняков М.К. Возможности управления технологическим процессом алмазной обработки пластин из хрупких материалов. Автореферат дис-серт. . к.т.н. JI.: 1981, с. 16.

89. Шипилов H.H. Исследование технологических возможностей скоростной алмазной доводки плоских заготовок из керамических материалов. Автореферат диссерт. . к.т.н. JL: 1980, с. 16.

90. Шубников A.B. "Элементарные механические явления при шлифовании и полировании." сб. "Качество поверхности деталей машин." №3. - Изд-во АН СССР, 1957.

91. Эванс А.Г., Лэнгтон Т.Г. Конструкционная керамика. М.: "Металлургия", 1980, с. 256. I103. . Этин О.Л. Выбор оптимальных условий при решении технологических задач. //Станки и инструмент, 1976, №3, с.,24 — 25. < „и,;,;.

92. ЯкимовA.B. Оптимизация „ процессашлифования.

93. М. Машиностроение, 1975.-176с.

94. Ящерицын П.Н. и др. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: Учебн. для ВУЗов Мн.: Высшая школа 1990, с. 512.

95. Ящерицын и др. Тонкие доводочные процессы обработки деталей и приборов. Минск: Наука и техника, 1977, с. 328.

96. Götz J. Die Polierforschung. Heutiger Stand und neue Erkenntnisse -Sprechsaal Keramik, Glass, Enail., Silik., 1968, bd. 101, N. 13, SS. 539-540, 542-544.

97. Götz J. Untersuchung über den Polierprozess von Glass. Tail 4. Oberflächenfehler beim Polieren mit gebundenen Korn. Glastechnische Berichte, 1967, N. 12, SS. 468 - 479.

98. Kaller A. Einfluß der chemischen, kristallographischen und physikalischen Eigenschaften der Polirmittel beim Polieren des Glases. Silikattechnik, 1983, v. 34, N. 1, pp. 15 - 17.

99. Kaller A. Elementar Vorgänge im Wirkspalt beim Polieren von Funktionsflächen spröder optischer Medien, insbesondere von Glass. Silikattechnik, 1980, v. 31, N. 2, pp. 35 - 40.

100. Mindt U. Zur Färtebestimmung von loosen Schlifmaterialen Schleif- mittelindustrie, 1926. ----- ; . .