автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического процесса изготовления одноразовых абразивных стоматологических головок

Р Г 5 ОД

2 5 д:,? 23СЛ

На правах рукописи

РУДИН Владимир Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОРАЗОВЫХ АБРАЗИВНЫХ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ

ГОЛОВОК

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и физико-технической обработки,

станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Новгородском Государственном Университете имени Ярослава Мудрого.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В. А. Щеголев

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Никитков Н.В кандидат технических наук, доцент Бабошкин А.Ф.

Ведущая организация: ОАО « Красногвардеец »,

Старорусский медико-инструментальный завод

Защита состоится 2000 года в {£_ч С& мин. на заседании

специализированного диссертационного Совета К 064 82.01 Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ) по адресу:

195197, Санкт-Петербург, Полюстровский проспект 14, главный учебный корпус, ауд. 332..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ).

Автореферат разослан " " ■МЛ^лСК.

2000г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета К 064.82.01

кандидат технических наук, доцент

Э. Хитрик

Л / / 1 I -з ,г-\

общая характеристика работы Актуальность .работы. Одной из -областей широкого применения абразивных инструментов является стоматология. В отечественной и зарубежной стоматологии используется широкая номенклатура абразивных инструментов для различного рода операцию вскрытия эмали зубов, обработки кариозных полостей, зубопротезирования. При этом для каждой конкретной операции обработки требуется инструмент определенного типоразмера и формы рабочей части. ■ ■

Большое распространение, в качестве стоматологического инструмента получили обьемные шлифовальные головки, изготовляемые прессованием и однослойные, получаемые методом закрепления алмазных зерен на металлическом корпусе гальванически осаждаемым никелем. Однослойные абразивные инструменты имеют ряд преимуществ перед многослойными, а именно: повышенные режущие свойства, более экономичное использование дефицитных абразивных материалов, возможность работы с большими скоростями, повторное использование корпуса инструмента. Однако однослойные инструменты с алмазно-никелевым покрытием имеют высокую стоимость , из-за использования дефицитных материалов, значительных энергозатрат и высокого уровня требований к технологическому процессу изготовления, что не позволяет их массовое применение в качестве одноразового. -Данная проблема особенно актуальна в последнее время, когда остро встает вопрос об угрозе инфицирования стоматологических больных вирусами СПИДа и различными формами гепатита. Применение одноразового инструмента позволит полностью исключить возможность заражения такого рода заболеваниями при оказании зубоврачебной помощи.

Изложенное свидетельствует об актуальности данной работы, направленной на разработку и исследование технологии и способа изготовления одноразового высокоэффективного абразивного стоматологического инструмента.

Целью работы является снижение себестоимости и повышение режущих характеристик стоматологических абразивных головок за счет замены дорогостоящих материалов и получения заданного режущего рельефа для использования в качестве одноразового инструмента.

Общая методика исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены на базе научных основ теории шлифования, физики диэлектриков и

теории электростатики, аэродинамики псевдоожиженных зернистых слоев, гидродинамики, теоретической механики, аппарата теории вероятности и математической статистики с широким использованием численных методов, реализованных в виде профамм для ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с законами планирования эксперимента на специально разработанных и созданных автором экспериментальных установках.

Научнлто новизну исследований составляют:

- научное обоснование возможности получения абразивосодержащих покрытий на стеклоэмалевых связках;

- научное обоснование процесса нанесения зерен абразивного материала из псевдоожиженного состояния при воздействии силы и момента силы неоднородного электростатического поля, обеспечивающее ориентацию зерен в абразивосодержащем покрытии,

- имитационная компьютерная модель, позволяющая прогнозировать вид и параметры режущего рельефа однослойного абразивосодержащего покрытия,

- экспериментальные зависимости результатов процесса обработки абразивными головками с заданным режущим рельефом от режимов резания.

Практическая ценность заключается в разработке:

- технологии изготовления однослойных абразивных головок с заданным режущим рельефом на стеклоэмалевых связках. Данные инструменты могут быть использованы в терапевтической стоматологии в качестве одноразового инструмента,

-. вычислительной программы для расчета параметров наносимого абразивного рельефа в зависимости от основных технологических факторов,

- практических рекомендаций по подбору исходных материалов для изготовления инструмента и выбору режимов нанесения абразивосодержащего покрытия.

Высокая эффективность новых технологических процессов подтверждена результатами испытаний опытно-промышленной партии шлифовальных головок.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке опытно-промышленной технологии изготовления абразивных головок на стеклоэмалевой связке в НовГУ. Испытания опытно-промышленной партии инструментов в Новгородских стоматологических поликлиниках и

Военно-медицинской академии имени С.М.Кирова показали их высокую эффективность и рекомендованы к использованию.

Возможность использования аналогичных инструментов в промышленности подтверждена испытаниями на ряде заводов г. Ковгорода

Апробация работы Основные положения работы докладывались на 16 совещании по защитным покрытиям (Санкт-Петербург, 1995 г), 1 и 2 Международных семинарах "Современные проблемы прочности имени В.А. Лихачева", (Новгород 1997 и 1998 г.), Международной конференции "Сварка, электротермия и родственные технологии - 99", /секция "Механообработка"/ (Великий Новгород 1999). Результаты работы были представлены на открытом смотре-конкурсе научно-технических идей (Новгород, 1997), четвертой универсальной выставке-ярмарке "Производство, торговля, сотрудничество-99" (Великий Новгород 1999).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ Из них одна разработка признана изобретением.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов, библиографического списка из 121 наименования, девяти приложений Содержит 123 страницы основного текста, поясняемого 47 иллюстрациями и 21 таблицей

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, а также содержится краткое изложение основных научных результатов, выносимых на защиту. '

' В первой главе проведен анализ номенклатуры и способов изготовления абразивных инструментов1 для стоматологии, рассмотрены особенности областей применения и физико-механические характеристики обрабатываемых материалов, пути снйжения1 себестоимости и повышения эксплуатационных характеристик инструментов подобного класса и способы их реализации' в технологических процессах изготовления.

В случаях обработки материалов высокой твердости или полостей малого размера нашли широкое распространение однослойные абразивные инструменты в виде головок состоящих из металлического корпуса, на рабочую часть которого нанесено абразивосодержащее покрытие из алмазных порошков, закрепленных гальванически осажденным металлом. Теории и практике нанесения такого рода покрытий посвящены работы Прудникова Е Л.,

Байкалова А.К., Борисенко А И., Гринева В.Ф., Кизикова Э.Д , Фрагина И.Е. и других авторов. Анализ данных работ показал, что способ гальванического закрепления алмазных зерен никелем, имеет крупные недостатки, обусловленные низкой производительностью, сложностью технологического процесса, высокой стоимостью материалов, что обуславливает высокую стоимость алмазно-никелевого инструмента и невозможность его одноразового применения на массовом приеме стоматологических цациентов.

Нанесение абразивосодержащих покрытий методами порошково-обжиговой технологии на стеклоэмалевых связках позволяет избежать вышеперечисленных недостатков. Теории и практике нанесения такого рода покрытий, в том числе и с ориентированным расположением зерен в абразивосодержащем покрытии, посвящены работы Щеголева В.А., Тимофеева ВВ., Бордашева К.А.. Анализ данных работ, показал, что важнейшими достоинствами абразивосодержащих покрытий на стеклоэмалевых связках являются широкая доступность сырьевых материалов и простота получения в сочетании с высокой производительностью. В качестве абразивного материала в стеклоабразивных покрытиях используется электрокорунд белый марки 25А (ГОСТ 28818-90), из соображений совместимости материалов в системе абразивное зерно - стеклорасплав по смачиваемости и дифузионно-химическому взаимодействию. Возникающая химическая связь на границе зерно - стеклоэмаль повышает силы удержания зерна в связке, что при шлифовании приводит к увеличению стойкости инструмента. Потери режущих характеристик стеклоабразивных . инструментов,. по сравнению с алмазосодержащими, можно частично скомпенсировать за счет увеличения числа режущих зерен и управления их расположением на поверхности инструмента. Это возможно в результате управления процессом, создания режущего рельефа на стадии изготовления инструмента. - .

Однако, разработанные способы получения стеклоабразивных покрытий не могут быть использованы при изготовлении абразивных головок диаметром рабочей части менее 3 мм. В тоже время для данного класса абразивных инструментов этот вопрос стоит наиболее актуально,, поскольку наибольшая часть абразивных стоматологических головок лежит в данном диапазоне размеров.

На основании вышеизложенного и в соответствии с поставленной целью были определены основные задачи работы следующим образом'

1) разработать и реализовать технологию изготовления одноразового абразивного стоматологического инструмента малого диаметра;

2) разработать модель процесса получения заданного режущего рельефа, отражающую влияние основных технологических факторов изготовления инструмента на параметры рельефа,

3) исследовать теоретически и экспериментально этапы процесса изготовления абразивных стоматологических шлифовальных головок на стеклоэмалевых связках,

4) экспериментально исследовать режущие и эксплуатационные характеристики шлифовальных головок согласно стандартной методики.

Вторая глава посвящена вопросам формирования однослойного абразивосодержащего покрытия на стеклоэмалевой связке на корпусах инструмента малого диаметра, получения значений допустимого диапазона толщин наносимого прикрепляющего стеклоэмалевого слоя и рассмотрения методики получения управляемых по толщине покрытий при осаждении стеклоэмалей из суспензий методом электрофореза

Основными этапами изготовления инструментов с однослойным абразивосодержащим покрытием на стеклоэмалевой связке являются'

- подготовка корпуса инструмента, шликера стеклоэмали и абразивного материала,

- нанесение прикрепляющего слоя стеклоэмали на подготовленную поверхность инструмента,

- нанесение абразивного материала на прикрепляющий слой стеклоэмали;

- окончательное закрепление абразива.

Получение прочносцепленного стеклоэмалевого покрытия с металлической основой инструмента, при формировании прикрепляющего слоя стеклоэмали, зависит от остаточных напряжений в системе металл -стеклоэмаль после обжига и охлаждения покрытия.

Для определения максимально допустимой толщины прикрепляющего стеклоэмалевого слоя использован оценочный расчет напряженного состояния системы корпус - стеклоэмалевое покрытие по формулам из работ Л.Г. Генипа и М Л. Любимова:

С (г /^И- п / { (г

(«м -

I 1(1-2/4

I I /г / I /и I - I /т I

^ 'м' у / "м ^ -М' )

ав-

к - о-с)АТЕС

( (-г /V

Е, /

Г

2/^-1 ! + [*% .1 И

V V *м-' у / -"М ^

г*, л

(1 -2/4

1+Г'

V I !

Ч/г, у

(2)

(а.. - ас)ДТЕл

„ Г Гг./VI

£-/ Г, Гг„Л21л ~ ч

/ /\ 2 / / /л ¿М

1 + 1V ] |1-1г°/ I !

1 ( V/ гм/

ч

гУ4!

1-

'Е... I

I,

т

I

ч .... ч .... у ^

где: ам и ас - температурные коэффициенты линейного расширения металла и стеклоэмали; Ес и Ем - модули упругости стеклоэмали и металла; ¡л -коэффициент Пуассона стеклоэмали; гм - радиус стержня, гс=гмт8 - радиус стеклопокрытия; 5 - толщина покрытия, г - текущий радиус, ЛТ - разность между температурой стеклования (температура, при которой метастабильная переохлажденная жидкость переходит в твердое(стеклообразное) состояние) и комнатной.

В качестве материала для корпусов инструментов были использованы титановый сплав ВТЗ-1 и сталь 20X13, а в качестве связки - грунтовая стеклоэмаль 3132, как наиболее согласующиеся по значениям коэффициентов линейного расширения, распространенные в машиностроении и имеющие сравнительно низкую стоимость.

Исходя из предельно-допустимого значения напряжения в покрытии (ЗОМПа), данных физико-механических и дилатометрических свойств металлов и промышленной силикатной стеклоэмали для изготовления инструмента, можем определить максимально допустимую толщину прикрепляющего стеклоэмалевого слоя на шлифовальной головке цилиндрической формы.

В табл. 1 приведены результаты расчетов максимально возможной толщины прикрепляющего стеклоэмалевого покрытия для инструментов малого диаметра, имеющих наибольшее распространение в стоматологии.

Таблица 1.

"I J

Диаметр инструмента, мм 0,8 1 | 1,4 1 о 1 2 ^ 1

Максимальная толщина 1 1 покрытия, мкм | 110 140 | 1 200 1 280 1 350 1 1

V *м

С целью определения значения минимальной толщины прикрепляющего покрытия рассмотрен процесс нанесения зерен абразивного материала из псевдоожиженного состояния в электростатическом поле.

С учетом основных закономерностей электростатики и физики диэлектриков, получены формулы для расчета силы и моментов сил, действующих на единичное зерно абразива

Fs =£0(e-iy3

со£(р sin'' <р ]

-+--:-:-Engradk

1+(e-Wr l + fc-Щ, Г

(4)

- ~ -Г 1 1 ^

М_ - SnU -'WV.F/'Cll -;-----;-:- Isin2ф

- ' J \l + (ff-l)we l + (£-l)Ne) ' V"J

PV2

Ma = —3- v{kc - ka) sm 2<p 7 (6)

где so - электрическая постоянная, s - диэлектрическая проницаемость абразивного материала; En - напряженность внешнего поля; V-, - объем зерна, ф -угол между направлением линий напряженности поля и наибольшей осью зерна, Nc и N„ - значения деполяризующих факторов для расположения зерна большей и меньшей осью вдоль линий напряженности соответственно, р -плотность потока; v- скорость потока; и ка - коэффициенты присоединенной массы при положении тела наибольшей и наименьшей осью параллельно оси потока.

При этом материал зерна принимали как идеальный однородный диэлектрик, а его форма апроксимировалась эллипсоидом вращения

На основе полученных зависимостей 4, 5 и 6 выведена формула для определения скорости зерна на момент начала внедрения в стеклорасхшав

у= U I

( , , ^

________I

— 1п — т — 1п— [у ггу ^

Г1 £2 к

где г - начальная координата положения зерна - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, примыкающего к внутреннему электроду, ь -диэлектрическая проницаемость диэлектрика, примыкающего к наружному электроду; г1 - радиус внутреннего электрода; /с - радиус границы диэлектриков, г2 - радиус наружного электрода, р3 - плотность зерна.

На основе закономерностей гидродинамики, с учетом выражения 7, получена формула, описывающая зависимость глубины внедрения зерна в стеклорасплав прикрепляющего слоя:

я = -

я-ща ^рт31п2-Уи "'Рж

ж ■ tga 3 • т3

2-и

I

(1, к 1 , и

I ~ Т + ~ "¡Г I ' '

.2 I

,(8)

где а - угол между образующей зерна и поверхностью инструмента; т, - масса зерна, рж - плотность жидкости (стеклорасплава).

Расчетные значения глубины внедрения зерен различной зернистости при нанесении на корпуса инструмента разных диаметров представлены в табл. 2.

Таблица 2.

2

Диаметр Инструмента, мм Максимальная глубина внедрения зерна, мкм

№5 №6 №8 №10 №12 №16 №20 №25

0,8 15 19 24 29 37 46 57 72

1 15 19 23 28 36 45 56 70

1,4 14 18 ■ 22 27 34 43 53 67

2 14 17 21 26 30 41 50 63

2,5 13 16 20 25 31 39 48 60

Результаты расчетов, представленные в табл 2. показывают, что глубина внедрения зерен меньше, чем максимально допустимая толщина прикрепляющего стеклоэмалевого покрытия (табл 1) и не превышает 22% средневероятного размера зерна наносимой зернистости. Как показала практика, данная глубина внедрения обеспечивает предварительное удержание зерен до момента окончательного закрепления. Зависимость (8) позволяет выбрать необходимую толщину прикрепляющего стеклоэмалевого покрытия для инструмента конкретного типоразмера.

С целью получения необходимой толщины стеклоэмалевых покрытий (30-300 мкм.) на этапе формирования прикрепляющего слоя, применялся метод электрофореза. Зависимость толщины покрытия к от параметров осаждения на инструменте с цилиндрической рабочей частью имеет следующий вид:

£Е*С С-Н = — ,—^—иг

, Гп / Г -Г Щ 111 уг т

где - электрекинетический потенциал частицы, с - диэлектрическая проницаемость среды; So - электрическая постоянная, т| - вязкость среды, ri и г2 - радиусы внутреннего и внешнего электродов, Сп - концентрации стеклоэмали в суспензии; Ст - концентрации осадка в приэлектродной области; т - время протекания процесса осаждения; U - напряжение между электродами.

По результатам проведенных натурных экспериментов были определены значения констант процесса электроосаждения стеклоэмали 3132 методом электрофореза. Величина £ оказалась равной 1бмВ, среднее значение Сш=1,14х103 кг/м3

Третья глава посвящена разработке имитационной компьютерной модели поверхностного рельефа однослойного абразивосодержашего покрытия В основу разрабатываемой модели положены следующие основные предположения и допущения

- зерна абразивного материала к началу нанесения неподвижно взвешены в межэлектродном пространстве,

- при движении зерен не учитывается сопротивление среды,

- не учитывается возможность столкновения зерен в процессе их движения к центральному электроду,

- концентрация зерен в межэлектродном пространстве к моменту нанесения принимается постоянной в диапазоне длины рабочей части корпуса инструмента;

- зерна находятся в строго ориентированном положении относительно корпуса инструмента,

- процесс нанесения рассматривается как квазистационарный.

Модель процесса реализована в виде программы для ПЗМ PC на языке PASCAL с использованием метода Монте - Карло. Каждому зерну присваивается по с равной вероятностью больший линейный размер для данной фракции. Каждому зерну присваивается начальная координата в межэлектродпом пространстве - радиус вектор г из диапазона (ги г2). Для каждого зерна рассчитываются начальная скорость и глубина внедрения, а так же высота выступапия вершины зерна над инструментом. Количество зерен па поверхности инструмента для модели принималось из экспериментальных исследований. Производится их распределение по поверхности цилиндра радиуса rj+hnc (радиус рабочей части инструмента + толщина прикрепляющего слоя). При этом учитываются возможные наложения зерен на уже размещенные.

Результатом работы программы является модель поверхности однослойной цилиндрической шлифовальной головки, представленной как объемный набор точек - вершин зерен. Для перебора вариантов модель приводится во вращение относительно оси инструмента до момента, пока не поступит команды на остановку. После этого через вершины зерен, попавших в определенную фиксированную плоскость, строится рельеф поверхности, который выводится на экран монитора.

В качестве примера на рис. 1 приведены рельефы режущей поверхности инструмента с однослойным абразивосодержащим покрытием. Данные рельефы смоделированы для инструмента диаметром рабочей части 1 мм, толщиной прикрепляющего слоя 30 мкм и нанесенным абразивом №8 при напряжении 1, 2, 3, 4 и 5кВ

и - 1 кВ

и кВ

620

0

2000 4000 6000 8000

Длина профиля, мкм

о

2000 <000 БООО 8С00

Длина профиля, МИМ

и - ЗкН

620 г и = 4 кВ

520

520

О

2000 юоо еооо еооо Длина профиля, мкм

о

;ооо 4000 бооо бооо Длина профиля, мкм

2000 4000 6000 8000

Длина проф/ля, мкм

Рис. 1. Рельефы поверхности полученные при помощи компьютерной модели для межэлектродного напряжении 1, 2, 3, 4 и 5 кВ.

Для количественной оценки получаемых рельефов нами использовались параметры.

- среднее расстояние между вершинами профиля - 1ср;

- среднеарифметическое отклонение профиля (разновысотность) - Ка;

- высота неровностей профиля по 10 точкам -

Значения параметров геометрических размеров зерен, их положения на поверхности смоделированной шлифовальной головки и оценочные данные получаемого рельефа записываются в файл.

В табл. 3. приведены средние значения оценочных параметров смоделированных рельефов и рельефов по экспериментальным исследованиям.

Таблица 3.

Па- Напряжение между электродами, кВ

ра- 1 2 3 4 5

метр модель эксп. мод. эксп. Мод. эксп. мод. эксп модель эксп.

1ср, мкм. 571 610 444 516 400 454 320 382 275 295

И., МКМ. 82,12 93,14 81,70 90,59 80,33 89,56 79,39 87,99 76,51 85,14

Кг, МКМ. 20,62 25,26 18,61 21,77 17,25 19,41 15,78 17,59 12,69 14,15

Сравнение полученных данных с результатами экспериментальных исследований позволили установить, смоделированные рельефы адекватны реальным. При этом, при нанесении абразивного материала заданной зернистости, происходит уменьшение разновысотности режущего рельефа и приближение рельефа к равновысотному. Таким образом, разработанная модель позволяет прогнозировать вид и параметры режущего рельефа инструментов.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса электроосаждения стеююэмалей из суспензий и эксплуатационных характеристик шлифовальных головок, приведен пример реализации технологии изготовления абразивных головок на стеклоэмалевой связке.

Для проведения экспериментальных исследований процесса электроосаждения стеклоэмалей из суспензий методом электрофореза и изготовления опытно-промышленной партии шлифовальных головок была спроектирована и изготовлена установка, позволяющая в необходимых пределах варьировать технологическими факторами. После проведения факторного эксперимента 23 для элекгфоосаждения грунтовой стеклоэмали 3132 и обработки результатов получена следующая экспериментальная зависимость толщины наносимого покрытия от исследуемых факторов:

Ь=256 + 1551 + 17311 + 152С0 + Ю4№ + 97иС0 + 9(НС„ +57ШС0 (10)

Графики зависимостей толщины покрытия от времени осаждения, напряжения между электродами и концентрации порошка стеклоэмали в суспензии по экспериментальной модели (10) и теоретической зависимости (9) показаны на рисунке (2).

Время, с (Напряжение. В

ьоз

5

5- зоо-

о с

? 2004

О 100-|

1 ,___,_ . -г__,_____,

300 100 500 600 700

Концентрация суспензии, кг/куб м

Рис.2. Экспериментальные и теоретические зависимости толщины покрытия от технологических факторов.

Удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать вывод об адекватности теоретических зависимостей реальному процессу.

Для комплексных испытаний изготовленных шлифовальных головок использована стандартная методика, разработанная Министерством станкоинструментальной промышленности и предназначенная для испытаний алмазно-никелевых стоматологических головок (ТУ2-037-156-80 "Головки алмазные стоматологические")

Испытания в стоматологических поликлиниках города Новгорода показали, что инструменты со стеклоабразивным покрытием полностью соответствуют всем требования, изложенным в вышеуказанной методике.

Для исследования режущих характеристик головок со стеклоабразивным покрытием нами были использованы положения .методики по проверке инструментов на надежность. В основу испытаний положена схема упругого шлифования с постоянным усилием прижима образна обрабатываемого материала к исследуемому инструменту, позволяющая получить сравнительные характеристики качества различных инструментов при их работе в одинаковых условиях. Данная схема была реализована на специально сконструированной и изготовленной установке. В качестве базового инструмента, согласно методики, была принята головка с цилиндрической рабочей поверхностью диаметром 2,5 мм и абразивом зернистости № 12. Обработка производилась при частоте вращения головки 10000 об/мин и рабочем усилии на головку 1Н.

Для оценки качества исследуемых инструментов нами использовались показатели определяемые его суммарной наработкой и производительности, т.е. массой или объемом удаленного материала и отношением массы удаленного материала к продолжительности одной обработки.

Инструменты испытывали при обработке хромокобальтового сплава по ТУ 64-2162-72. Дополнительно обрабатывались образцы из стали У8, латуни ЛС 63-3 и технического органического стекла (ГОСТ 17622-72).

На рис. 3. представлены зависимости массы сошлифованного материала и производительности от времени обработки различных материалов

240 220 200 180 150 лло 120 100 50 во

40 20 0

-Лэтунъ

-Хромохобальтовый

у

у

У .-Л''

4 6 8 10 12 14 16 18 20 Время шлифования, мин

у

—*— Лчтунь

—• — КобэльгхроыовыА сплав

N.

Время шлифования, мин

Рис. 3. Зависимости массы сошлифованного материала и производительности от времени обработки различных материалов.

Анализ графиков, представленных на рис. 3 показывает, что шлифовальные головки со стеклоабразивным покрытием обладают заданной стойкостью покрытия на всем протяжении обработки, высокой производительностью и высокими режущими характеристиками.

Для оценки эффекта ориентации зерен абразива и получения заданного режущего рельефа на поверхности инструмента были проведены сравнительные испытания для однослойных алмазно-никелевых шлифовальных головок и стеклоабразивных, изготовленных по разработанному способу На рис. 4. представлены графики зависимости массы сошлифованного материала от времени обработки для алмазно-никелевых и стеклоабразивных шлифовальных головок при обработке стали У8 и органического стекла.

Обработка стали У8 —»— Стеклоабраэивные

- Алмээчо-никелсоые

Время идГиЧрОоания, миг

Обработча орг стекла — Стеклоабраэивные —1— Алмазно-никелевые

Брег^я шлифовапия, мин

Рис. 4. Зависимость массы сошлифованного материала от времени для стеклоабразивных и алмазно-никелевых инструментов при обработке стали У8 ¿органического стекла.

Как видно из графиков, представленных на рис. 4, при шлифовании сталей и сплавов режущие характеристики инструментов со стеклоабразивным покрытием на начальном этапе превосходят режущие характеристики алмазно-никелевых инструментов, затем, начиная с некоторого момента времени, происходит снижение режущей способности из-за износа режущих вершин. При шлифовании мягких материалов (органического стекла) инструменты, изготовленные по предлагаемой технологии, на всем этапе шлифования показывают более высокие режущие характеристики, по сравненшо с алмазно-никелевыми инструментами Это происходит в результате меньшего "засаливания" продуктами обработки режущей поверхности стеклоабразивного инструмента.

Закрепление зерен нанесенного абразивного материала вторичным стеклоэмалевым покрытием на различную величину позволяет управлять временем эффективной работы однослойного абразивного инструмента. На рис. 5. представлены. графики зависимости массы сошлифованпого материала и производительности работы головок со стеклоабразивным покрытием от времени обработки для инструментов с закреплением зерен на 75%, 50%, 35% и 20% от максимального размера зерна абразива.

100 90-

ОБраЕотха стали Уз Закрепления зерна

— ТЛ

—

—'—35%

—т— 20%

1 2 Э а 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Время шлифования, мин

•V'

I

\

X

Обработка стэпи У8 За«се"пекие зерна — 75% —•—50% 35% —▼—20%

\

Чх

V

1 2 3 4 5 8 7 в 9 Ю 11 12 13 1 Время шлифования, ммн

Рис 5. Зависимость массы сошлифованпого материала и производительности от времени обработки стали У8 для инструментов с различной степенью закрепления абразива.

Анализ графиков, представленных на рис. 5. показывает, что время эффективной работы однослойных головок со стеклоабразивным покрытием зависит от степени закрепления зерен абразива в связке и принимает значения от 5 до 10 минут-. Столь малое время работы инструмента с высокой производительностью гарантирует одноразовость применения инструмента подобного типа.

о

5 16

Производственные испытания опытно-промышленной партии головок проводили в Новгородских стоматологических поликлиниках. На терапевтических операциях обработки твердых тканей зуба испытывались головки диаметром 2,5 и 1 мм с абразивом зернистости № 8 и,№ 6 на зубоврачебных машинах с частотой вращения привода 10000 - 40000 об/мин, на зуботехнических операциях шлифования пластмассовых протезов испытывались фасонные головки диаметром 6 и 12 мм с абразивом зернистости № 12 и №16 на зубоврачебных машинах с частотой вращения привода 3000 -5000 об/мин. При обработке твердых тканей зуба период стойкости головок составил 3-5 мин. машинного времени, что определяет возможность их использования в качестве инструментов одноразового действия. Значительный эффект может быть получен при использовании головок на зуботехнических операциях, где их стойкость значительно превышает стойкость стандартных объемных головок даже при возможной периодической правке последних.

На заводе "Квант" испытывались головки диаметром 4 мм с абразивом зернистости № 16 при планетарном шлифовании отверстий в деталях из закаленной стали и алюминия на координатно-шлифовальном станке фирмы "HÄUSER" при частоте вращения шпинделя 50000 об/мин. Установлено, что головки с ориентированными зернами обладают более высокой стойкостью по сравнению со стандартными при шлифовании алюминия и его сплавов.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Показано, что существующие технологии обуславливают высокую стоимость мелкоразмерного абразивного инструмента, что препятствует возможности его одноразового применения в стоматологии.

2. Разработаны требования к однослойному абразивному инструменту, который в дальнейшем может быть использован в стоматологической практике в качестве одноразового.

3. Показано, что возможно снизить стоимость абразивного инструмента на основе применения более дешевых материалов, высокой производительности изготовления, низкой энергоемкости и возможности автоматизации процесса изготовления

4. Разработан технологический процесс изготовления однослойных шлифовальных головок на стеклоэмалевых связках с ориентированным расположением зерен абразивного материала, позволяющий создавать инструменты диаметром рабочей части менее 3 мм.

5. Получены теоретические зависимости для определения сил и моментов сил, действующих на единичное абразивное зерно в неоднородном электростатическом поле, взвешенное восходящим потоком воздуха.

6. Получена теоретическая зависимость глубины внедрения абразивного зерна , в расплав стеклоэмали от технологических факторов процесса изготовления

инструмента.

7. Проведен анализ формирования параметров поверхностного рельефа однослойного абразивосодержащего покрытия при его нанесении.

8. Разработана имитационная компьютерная модель процесса получения поверхностного рельефа однослойного абразивосодержащего покрытия, позволяющая прогнозировать параметры режущего рельефа.

9. Экспериментальная модель процесса получения покрытий методом электрофореза хорошо согласуется с теоретическими зависимостями, что

. свидетельствует о достоверности проведенных теоретических исследований процесса.

10.Испытания . шлифовальных головок, изготовленных по разработанной технологии, показали, что инструменты со стеклоабразивным покрытием соответствуют всем требованиям, предъявляемым к стоматологическому абразивному инструменту, обладают высокими режущими характеристиками

,-. при обработке материалов с различными физико - механическими свойствами.

11.Испытания опытно - промышленной партии шлифовальных головок показали, что они могут с высокой эффективностью применяться как в стоматологии в качестве одноразового инструмента, так и на операциях механообработки деталей машин и приборов

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Щеголев В.А., Рудин В.И., Бордашев К.А. Способ получения абразивосодержащих покрытий с ориентированными зернами на мелкоразмерном инструменте. - Станки и инструменты. № 4, 1998.

2. Щеголев В.А, Тимофеев В.В, Бордашев К. А, Рудин В.И. Моделирование процесса получения рельефа поверхности шлифовальных инструментов с однослойным абразивосодержащим покрытием. Труды международной конференции "Сварка, электротермия, механообработка". 1999, с.13 - 14.

3. Щеголев В.А, Тимофеев В.В, Бордашев К.А, Рудин В.И. Получение однослойных абразивосодержащих , покрытий с ориентированным расположением зерен. Тезисы докладов. Инструмент и технологии. № 1, 1999, с.30.

4. Рудин В.И, Щеголев В.А. Электрофоретическое осаждение связующего при изготовлении инструмента. НовГУ, сборник аспирантов, 1997, с. 29.

5. Щеголев В.А, Малов В.А, Рудин В.И. Использование электрофореза для получения стеклоабразивных покрытий. Труды 17 совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям, С - Пб., ч. 2, с. 59-62, 1997.

6. Рудин В.И. Применение электрофореза для получения стеклоабразивных покрытий. -Сборник трудов 1 международного семинара "Современные проблемы прочности имени В.А. Лихачева", т.2, с. 223-224, 1997.

7. Рудин В.И. Расчет глубины внедрения абразивного зерна в стеклорасплав. -Сборник трудов 2 международного семинара "Современные проблемы прочности имени В.А. Лихачева", т.2, с. 133-134, 1998.

8. Патент 2122489 РФ, МПК 6Б 24 Д11/00 БИ № 33 от 27.11.98г. Способ изготовления абразивного инструмента/ Щеголев В.А, Бордашев К.А, Рудин В.И, Филатов C.B. (РФ).

Лицензия ЛР № 020815 от 21.09.98.

Подписано в печать 20.03.2000. Формат 60*88 1/8. Уч.-изд. л. 1, 0. Тираж 100 экз. Заказ № 3О, Издательско-полиграфический центр Новгородского государственного университета. 173003, Великий Новгород, Б. Санкт-Петербургская, 41. Отпечатано в ИПЦ НовГУ. 173003, Великий Новгород, Б. Санкт-Петербургская, 41.

ВВЕДЕНИЕ

Гл. 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1. Методы изготовления и номенклатура шлифовальных головок для стоматологии

1.2 Особенности обработки материалов абразивными шлифовальными инструментами в стоматологии

1.3. Пути снижения себестоимости и повышения режущих характеристик абразивных инструментов

1.4. Схема и методы получения стеклоэмалевых покрытий

1.5. Выводы. Цель и задачи диссертационной работы

Гл. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕЛКОРАЗМЕРНОГО

АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА НА СТЕКЛОЭМАЛЕВОЙ ОСНОВЕ

2.1. Физические основы процесса формирования абразивосодержащего покрытия инструментов на стеклоэмалевых связках

2.2. Исследование процесса нанесения абразивного материала на корпуса шлифовальных головок.

2.21. Исследование сил и моментов, действующих на взвешенное восходящим воздушным потоком единичное зерно в электростатическом поле

2.2.2. Исследование процесса нанесения абразивного материала на корпуса однослойных абразивных инструментов

2.3. Основы получения стеклоэмалевых покрытий методом электрофореза

Выводы

Гл. 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ОДНОСЛОЙНОГО

АВРАЗИВОСОДЕРЖАЩЕГО ИОКРЫТЙЯ. 6S

3.1. Формирование параметров режущего рельефа однослойных шлифовальных инструментов

3.2. Компьютерное моделирование процесса формирования рельефа поверхности однослойных шлифовальных головок

3.3. Исследование рельефа поверхности шлифовальных головок

Выводы

Гл. 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Исследование процесса получения стеклоэмалевых покрытий методом электрофореза

4.3. Исследование эксплуатационных характеристик шлифовальных головокJ

4.4. Реализации способа изготовления однослойных абразивных головок на стеклоэмалевой связке

Выводы

Одной из областей применения абразивных инструментов является стоматология. В отечественной и зарубежной стоматологии используется широкая номенклатура абразивных шлифовальных инструментов для различного рода операций: вскрытия эмали зубов, обработки кариозных полостей, зубопротезирования. При этом для каждой конкретной операции обработки требуется инструмент определенного типоразмера и формы рабочей части.

Большое распространение в качестве стоматологического инструмента получили объемные шлифовальные головки, изготовляемые прессованием и однослойные, получаемые методом закрепления алмазных зерен на металлическом корпусе гальванически осаждаемым никелем. Однослойные абразивные инструменты имеют ряд преимуществ перед многослойными, а именно: повышенные режущие свойства, более экономичное использование дефицитных абразивных материалов, возможность работы с большими скоростями, повторное использование корпуса инструмента. Однако однослойные инструменты с алмазно-никелевым покрытием имеют высокую стоимость из-за использования дефицитных материалов, значительных энергозатрат и высокого уровня требований к технологическому процессу изготовления, что не позволяет их массовое применение в качестве одноразового. Данная проблема особенно актуальна в последнее время, когда остро встает вопрос об угрозе инфицирования стоматологических больных вирусами СПИДа и различными формами гепатита. Применение одноразового инструмента позволит полностью исключить возможность заражения такого рода заболеваниями при оказании зубоврачебной помощи. Поэтому возникла необходимость в создании новой технологии производства одноразового высокоэффективного абразивного стоматологического инструмента.

Новая технология должна обеспечить:

- низкую себестоимость абразивного стоматологического инструмента за счет замены дорогостоящих материалов;

- высокие режущие характеристики абразивного инструмента;

- возможность обрабатывать как твердые, так вязкие и мягкие материалы в течении заданного периода работоспособности инструмента.

Повышение эксплуатационных характеристик абразивного инструмента возможно осуществить за счет управления строением режущего слоя на стадиях его формирования.

В диссертационной работе разработан и исследован технологический процесс изготовления абразивных стоматологических шлифовальных головок малого диаметра на стеклоэмалевой связке, позволяющий значительно снизить себестоимость инструмента за счет использования широкодоступных материалов и повысить производительность обработки материалов за счет рационального расположения зерен абразивного материала в абразивосодержащем покрытии.

На защиту выносятся:

- способ изготовления стоматологических шлифовальных головок на стеклоэмалевой связке;

- теоретические положения, определяющие зависимость вида режущего профиля от технологических факторов изготовления инструмента;

- компьютерная модель получения заданного поверхностного рельефа однослойных абразивных шлифовальных головок;

- методики экспериментальных исследований этапов изготовления инструмента, подтверждающие выводы теоретических положений; 6

- экспериментальные установки для изготовления и испытания опытных образцов.

Гл. 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

ЗКСПЕРГНОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ по идее создания одноразовых абразивных стоматологических инструментов

Ге.1.: 292--ÜMU 259-52-03

Идея использования одноразовых абразивных инструментов в стоматологии представляет значительный интерес, поскольку может позволить реально подойти к решению проблемы профилактики инфицирования вирусами СПИД, гепатита и другими на массовом приеме стоматологических больных.

Учитывая, что в стране' ежегодно пломбируются десятки миллионов зубов, данная идея может быть реализована во всех практических лечебных учреждениях, в т.ч. и ведомственных.

В настоящее время отечественных: и зарубежных аналогов не выявлено.

В клинике челюстно-лицевой хирургии и стоматологии ВМедА им. С.М.Кирова проведены предварительные испытания опытных образцов одноразовых абразивных стоматологических головок на стеклоэмале-вой связке 1л \zitc0 и сп \>\ХЮ.

Результаты испытаний показали заметную эффективность данных инструментов при обработке кариозных полостей в процессе подготовки их к пломбированию.

Заслуживает внимания также дешевизна, высокие антикоррозионные свойства инструментов и простота технологии их изготовления.

Практическая реализация данной идеи требует дополнительных технико-экономических обоснований и серьезных клинических испытаний.

Главный стоматолог МО РФ начальник кафедры челюстно-лицевой хирургии и стоматологии доктор медицинских наук профессор

8 июля 1998 г.

В.Н.Валин

НОВГОРОДСКАЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКАЯ ПОЛИКЛИНИКА ТУЬ 2

АКТ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ КАЧЕСТВА СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ АБРАЗИВНЫХ ГОЛОВОК НА СТЕКЛОЭМАЛЕВОЙ СВЯЗКЕ

Объект испытаний: головки абразивные стоматологические, изготовленные в лаборатории кафедры "Технология машиностроения" Новгородского Государственного университета имени Ярослава Мудрого.

Виды испытаний:

1. испытания на надежность;

2. испытания на терапевтических операциях;

3. испытания на зуботехнических операциях.

Надежность головок оценивалась в соответствии с требованиями, изложенными в ТУ 2-037-156-80 "Головки алмазные стоматологические". Испытания на надежность показали соответствие данного показателя качества головок требованиям, указанным в ТУ.

В качестве испытаний на терапевтической операции использовались головки цилиндрической формы с диаметром рабочей части 2,5 и 1 мм с абразивом в виде электрокорунда белого марки 25А ГОСТ 28818-90 зернистости № 8 и № 6 соответственно. Испытания проводились при частоте вращения привода 10000-40000 об/мин на операции обработки твердых тканей зуба(эмали и дентина). Результаты показали, что режущая способность головок на стеклосвязках не уступает режущей способности алмазно-никелевых аналогов. Стойкость головок на данных операциях составляет 3-5 минут машинного времени.

В качестве объекта на зуботехнической операции использовались головки фасонного профиля с диаметром рабочей части 6 и 12 мм с абразивом зернистостью № 12 и № 16. Головки испытывались при частоте вращения привода 3000-5000 об/мин при обработке пластмассовых протезов. Предложенные головки на данной операции показали значительно более высокую режущую способность и стойкость по сравнению с головками, используемыми в настоящее время.

Таким образом, абразивные головки на стеклоэмалевой связке могут быть рекомендованы к применению в стоматологии в качестве одноразового терапевтического инструмента и высокоэффективного зуботехнического инструмента.

Иванова Л.Н

Юдичева Л.Н