автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка методики и программы автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей деталей приборов с помощью графических критериев и их использование в технологических исследованиях

На правах рукописи

Филимонова Елена Алексеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ПРОГРАММЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ МИКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ С ПОМОЩЬЮ ГРАФИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005555^*

г о ноя гон

Санкт-Петербург - 2014

005555239

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель Валетов Вячеслав Алексеевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты Васильков Дмитрий Витальевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова», профессор кафедры «Технология и производство артиллерийского вооружения»

Красный Виктор Адольфович

кандидат технических наук, доцент, Национальный минерально-сырьевой

университет «Горный», доцент кафедры «Машиностроение»

Ведущая организация ФГУП «Всероссийский научно-

исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева»

Защита состоится /6 А.СКЛБ^Я 2014 г. в

часов на заседании

диссертационного совета Д 212.227.04 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ауд. 206. '' '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49. и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан «_»_ 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.04 кандидат технических наук, доцент

Киселев С. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение качества и надёжности изделий в приборо- и машиностроении в условиях конкурентной рыночной экономики является одной из важнейших задач промышленности. Обычно, данную задачу решают за счёт повышения точности изготовления изделий или использования более качественных материалов, однако это ведёт к большим экономическим затратам. В то же время решение проблемы оптимизации характеристик поверхностного слоя деталей позволило бы при достаточно небольших затратах существенно повысить качество изделий. Под оптимизацией здесь понимается нахождение наилучшей из возможных микрогеометрии в данных конкретных производственных условиях. Например, известно, что она способствует существенному улучшению двух десятков функциональных свойств поверхностей и количество таких свойств со временем будет возрастать. Доказано, что к таким свойствам относятся износостойкость, контактная жёсткость, коэффициент трения, коррозионная стойкость и ряд других свойств поверхностей.

Однако, использование существующих стандартов для целей оптимизации микрогеометрии непригодно. Одним из требований к оптимизации является точное описание оптимальной микрогеометрии. На текущий момент для задания микрогеометрии на чертеже чаще всего используют только один стандартный параметр для каждой поверхности: Ra или Rz. Тем не менее, многочисленными исследованиями доказано, что использование только одного параметра для оценки и оптимизации микрогеометрии абсолютно недостаточно. Поэтому, проведение исследований по нахождению таких критериев микрогеометрии, которые были бы наиболее информативны и эффективны, а также автоматизация процессов контроля микрогеометрии очень актуальны. Среди учёных, занимавшихся этими проблемами, можно отметить В. А. Журавлёва, И. В. Крагельского, Н. Б. Демкина, А. П. Хусу, Ю. Р. Виттенберга, В. М. Мусалимова, В. А. Валетова, Дж. Арчарда (J. Archard), Д. Гринвуда (J. Greenwood), П. Наяка (P. Nayak), Д. Уайтхауза (D. Whitehouse).

Целью работы является разработка методики и программного обеспечения для автоматизированной оценки и контроля микрогеометрии поверхностей с использованием графических критериев, а также проверка их эффективности в технологических исследованиях. Задачи работы:

1) проанализировать существующие модели описания микрогеометрии поверхности;

2) проанализировать критерии оценю! микрогеометрии поверхности;

3) разработать методику и программы для автоматизированных оценки и контроля микрогеометрии поверхности;

4) исследовать влияния амплитуды осцилляции инструмента и величины расстояния между импульсами на микрогеометрию поверхности при

импульсном фрезеровании, как одной из эффективных технологий в приборостроении, с использованием графических критериев оценки; 5) исследовать влияние микрогеометрии поверхности на лучевую прочность и процессы возникновения усталостных трещин при циклической нагрузке для оптических материалов с использованием графических критериев оценки.

Научная ценность данной работы состоит в следующем;

1) впервые разработаны методика и программа проведения

автоматизированных оценки и контроля микрогеометрии поверхностей деталей с использованием графических критериев как для профилей поверхностей, так и для их микротопографий;

2) впервые исследована зависимость микрогеометрии поверхности от

амплитуды импульса и расстояния между импульсами при импульсном фрезеровании с использованием графических критериев;

3) впервые исследованы зависимости лучевой прочности покрытия и

процессов возникновения усталостных трещин оптического материала от микрогеометрии поверхности с использованием графических критериев.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1) разработаны методика и программное обеспечение для

автоматизированной оценки микрогеометрии поверхности с помощью графических критериев (получены два свидетельства о регистрации программы для ЭВМ [11, 12]) позволяют практически приемлемым способом повышать качество изделий за счет оптимизации микрогеометрии поверхностей их деталей;

2) получена зависимость микрогеометрии поверхности от амплитуды

осцилляции инструмента и расстояния между импульсами при импульсном фрезеровании - очень перспективной технологии для современного приборостроения, с использованием графических критериев;

3) предложен метод определения влияния микрогеометрии поверхности

на лучевую прочность и процессы возникновения трещин при циклической нагрузке в оптических элементах. Методы исследования. В работе проводились как теоретические, так и экспериментальные исследования. В теоретическом исследовании были использованы методы математического анализа, Фурье-анализа, математической статистики, теории вероятности и основные положения теории технологии приборостроения.

Положения, выносимые на защиту:

1) разработана методика автоматизированных оценки и контроля микрогеометрии поверхности деталей;

2) разработаны программы автоматизации оценки и контроля микрогеометрии поверхности деталей;

3) выведена зависимость микрогеометрии поверхности от амплитуды осцилляции инструмента и расстояния между импульсами при импульсном фрезеровании с использованием графических критериев;

4) выведены зависимости лучевой прочности покрытия и процессов возникновения усталостных трещин оптического материала от микрогеометрии поверхности с использованием графических критериев.

Достоверность результатов проведённых исследований

подтверждается корректным использованием основных положений математического анализа, Фурье-анализа, математической статистики, теории вероятности и апробацией полученных данных. Результаты диссертации нашли применение на предприятии «Алкор Текнолоджис», в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова, а также в учебном процессе на кафедре Технологии приборостроения Санкт-Петербургского научно-исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I, II, III Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012-2014 гг.); на XLI, XLII, XLIII Научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012-2014 гг.); Мой и 15ой Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2012-2013 гг.); на Одиннадцатой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2013 г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 10 печатных работах в виде научных статей и тезисов докладов, 4 из которых опубликованы в журналах из перечня ВАК. В список работ входят также 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и трёх приложений. Основной текст работы изложен на 123 страницах, и включает в себя 69 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации описаны исследования влияния микрогеометрии поверхности на различные эксплуатационные свойства. Из отечественных учёных исследованиями в этой области занимались В. Ф. Безъязычный, И. В. Крагельский, В. С. Комбалов, Н. Б. Демкин, И. В. Дунин-Барковский, Ю. Г. Шнейдер, А. А. Маталин, Э. В. Рыжов, А. Г. Суслов, В. А.

Валетов, Д. В. Васильков, В. А. Красный и многие другие. Среди зарубежных можно отметить работы Дж. Арчарда, Д. Уайтхауза и Д. Гринвуда.

Также в главе проанализированы три наиболее распространённые современные модели описания микрогеометрии поверхности:

1. Представление о микрогеометрии как о наборе выступов правильной геометрической формы.

К основным недостаткам этой модели относится чувствительность к длине выборки и разрешающей способности измерительного прибора, кроме того в ней не учитываются структурные свойства поверхности.

2. Теоретико-вероятностный подход.

Для данной модели характерно представление шероховатой поверхности в виде случайного поля.

Основные недостатки этого подхода аналогичны предыдущему.

3. Модель фрактальной микрогеометрии.

У фрактальной модели отсутствуют ограничения двух предыдущих моделей шероховатой поверхности. Тем не менее, данная модель применима далеко не ко всем поверхностям, так как существует довольно большое количество нефрактальных поверхностей.

Также в данной главе рассмотрены используемые в настоящее время критерии оценки микрогеометрии поверхности: параметры микрогеометрии по ГОСТ 2789-73, ISO 4287:1997, а также по ISO 25178, используемые для трёхмерной оценки микрогеометрии. Основным же недостатком всех существующих моделей, в том числе указанных выше, является использование параметрических критериев оценки микрогеометрии, которых для точного описания последней нужно от 3 до 25. Следовательно, для проведения оптимизации микрогеометрии поверхности необходимо будет получить зависимость каждого из этих критериев от параметров обработки поверхности, что реально не осуществимо. Сейчас в отечественном и международном приборо- и машиностроении используется, как правило, только один параметр оценки микрогеометрии для отдельной поверхности. Но одного параметра совершенно недостаточно. Например, рассмотрим два профиля поверхности, представленные на рисунке 1. Уже из формы профилограммы видно, что данные поверхности имеют совершенно разные эксплуатационные свойства. Но все параметры микрогеометрии поверхности по ГОСТ 2789-73, за исключением значений относительной опорной длины профиля на некоторых уровнях, имеют одинаковые значения в пределах допуска, что доказывает неэффективность использования только одного параметра для достоверного описания микрогеометрии поверхности.

Исходный профиль

а)

Исходный профиль

б)

Рисунок 1 - Профилограммы двух поверхностей: а - платообразная; б -островершинная: У - ордината профиля; Ь - длина профиля

Для решения данной проблемы профессором В. А. Валетовым был предложен так называемый «непараметрический» подход к оценке микрогеометрии поверхности, в котором в качестве критериев оценки и контроля используются графики различных функций.

Первая глава заканчивается постановкой задач данного диссертационного исследования.

Во второй главе представлены методика и разработанные программы для автоматизированных оценки и контроля микрогеометрии поверхности деталей. Возможности автоматизации этих процессов в настоящее время сильно недооценены, тем не менее она позволила бы не только сократить время технологического процесса, но также существенно повысить качество самого изделия.

1. Методика оценки и контроля микрогеометрии поверхностей с

помощью графических критериев

В общем случае методика оценки и контроля микрогеометрии поверхности выглядит следующим образом:

1) выбор эталона (реальная поверхность, микрогеометрия которой после испытаний была признана лучшей из возможных для данного функционального свойства);

2) измерение микрогеометрии эталонной и контролируемой поверхности с помощью профилометра;

3) проведение фильтрации для исключения отклонения формы, погрешности установки и помех из профиля или из микротопографии поверхности;

4) построение графических критериев для контролируемой и эталонной поверхности;

5) назначение величины поля допуска для графических критериев оценки микрогеометрии эталонной поверхности в зависимости от ответственности контролируемого изделия;

6) наложение графиков контролируемой и эталонной поверхностей друг на друга;

7) установление факта совпадения или отклонения от допуска, определяемого по эталону.

Для автоматизации данных процессов был создан программный продукт «Лемминг», который состоит из двух программ: для оценки и контроля микрогеометрии на основе профилей (двухмерный случай) [1, 8], а также на основе микротопографий поверхности (трёхмерный случай) [2, 3, 6]. Первая программа состоит из четырёх модулей.

2. Модуль расчёта параметров микрогеометрии согласно ГОСТ

2789-73.

Несмотря на то, что в многочисленных источниках доказана неэффективность параметров микрогеометрии поверхности, представленных в ГОСТ 2789-73, для оценки, контроля и оптимизации поверхности, на предприятиях продолжают использовать данный метод. Таким образом появилась необходимость в автоматизации расчёта параметров микрогеометрии в разработанном программном продукте.

В данном модуле осуществляется построение графика самого профиля поверхности, средней линии, линии выступов и линии впадин, а также расчёт параметров согласно ГОСТ 2789-73.

3. Модуль расчёта графических критериев микрогеометрии

поверхности.

Здесь представлены алгоритмы расчёта графических критериев для оценки микрогеометрии поверхности таких, как графики функций плотности распределения (рисунок 2) и функций распределения (рисунок 3) ординат и тангенсов углов наклона профиля (в качестве примера показаны только функция плотности распределения и функция распределения тангенсов углов наклона профиля).

Плотность распределения тангенсов

900 800 700 600 £ 500 I 400 300 200 100 0

Рисунок 2 - Плотность распределения тангенсов углов наклона профиля: Н - частота (количество точек профиля, имеющих данный тангенс угла наклона профиля); tga -

_тангенс угла наклона профиля_

Функция распределения тангенсов

ца

Рисунок 3 - Функция распределения тангенсов углов наклона профиля: XV -вероятность появления 1§а - тангенс угла наклона профиля

4. Модуль фильтрации.

Под фильтрацией понимаются средства (электрические, оптические, механические, математические) для выбора необходимой информации из общего профиля поверхности. Также для определения влияния микрогеометрии на эксплуатационное свойство необходимо сначала исключить из профиля такие факторы, как помехи и погрешность установки. Влияние помех, особенно со стороны окружающей среды, неизбежно при записи профилей. В то же время применение механической или электрической фильтрации, встроенной в профилометр, не всегда удобно. Использование компьютера позволяет фильтровать профиль с помощью такого удобного средства, как прямое и обратное преобразования Фурье.

После применения прямого преобразования Фурье профиля строится его амплитудный спектр (рисунок 4), где каждой гармонике соответствует определённый тип отклонений. Исключая из амплитудного спектра ненужные гармоники, можно получить профиль, в котором присутствует только необходимая информация о поверхности (рисунок 5).

Амплитудный спектр профиля

Рисунок 4 - Амплитудный спектр профиля: А - амплитуда гармоник профиля; 1"_частота гармоник профиля_

Профиль

3 -,-,-,___,-,_._____._________

о 1000 2000 3000 4000 5000

I-, мкм

Рисунок 5 - Применение преобразований Фурье для фильтрации профиля: красным цветом - профиль до фильтрации; синим - после фильтрации; У - ордината профиля; Ь

- длина профиля

5. Модуль сравнения с эталоном.

В нём представлен алгоритм сравнения двух и более профилей, который выглядит следующим образом. Исследователь выбирает реальную поверхность изделия, микрогеометрия которой была признана наилучшей из возможных в процессе испытаний для данного эксплуатационного свойства, а соответствующий графический критерий принимается в качестве эталона. С этим эталоном производится сравнение соответствующих графических критериев, полученных для поверхностей контролируемой серийной продукции. Далее графики накладываются друг на друга, при этом, для эталонного критерия предварительно задаётся поле допуска. Величина поля допуска выбирается в зависимости от назначения и ответственности поверхности контролируемого изделия. Сравнение графических критериев эталонной и контролируемой поверхности представлено на рисунке 6.

Плотность распределения тангенсов

0.40

0.25 -X 0.20 : 0,15

0,35 •■

0,30

0.00

0.10 •■

0,05 -

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0,3 0.4 1да

Рисунок 6 - Сравнение микрогеометрии контролируемой и эталонной поверхностей с помощью графического критерия - плотности распределения тангенсов углов наклона профиля: Н - отношение количества тангенсов углов наклона профиля данной величины к общему количеству тангенсов; tga - тангенс угла наклона профиля

6. Оценка и контроль микрогеометрии поверхностей на основе их микротопографий.

Перейдём к рассмотрению программного продукта, который отвечает за оценку и контроль микрогеометрии поверхности деталей на основе микротопографий. Известно, что графические критерии для микротопографий поверхности обладают большей информативностью по сравнению с графическими критериями для профилей поверхности. Для контроля и оценки микрогеометрии с помощью микротопографий характерны некоторые особенности.

1. Фильтрация производится с использованием не одномерных, а двумерных Фурье-преобразований. Пример фильтрации микротопографии представлен на рисунке 7.

2. Графические критерии рассчитываются для микротопографий поверхности, т.е. для трёхмерного случая.

а)

б)

Рисунок 7 - Микротопография до фильтрации (а) и после фильтрации (б). Убраны погрешность установки, отклонение формы и волнистость поверхности

7. База данных взаимосвязи графических критериев и видов и режимов обработки.

Установление оптимальных видов и режимов обработки, которые обеспечили бы высокую производительность при соответствующем качестве изделия, является одной из актуальнейших задач современного приборостроения. Важный этап данной задачи - это создание базы данных, которая бы показывала взаимосвязь графических критериев оценки микрогеометрии поверхности и видов и режимов обработки этой поверхности. Зная микрогеометрию поверхности, обеспечивающую наилучшее значение эксплуатационного свойства, можно провести сравнение её графических критериев с графическими критериями поверхностей серийной продукции и в конечном счёте откорректировать технологию получения этой продукции. Если способов обработки несколько, то можно выбрать наиболее производительный, более дешёвый, либо лучше всего подходящий к условиям данного предприятия.

С помощью системы управления базами данных Microsoft SQL Server 2008 R2 Express была создана база данных взаимосвязи графических критериев и видов и режимов обработки. Один из важнейших параметров базы данных - это координаты профиля или микротопографии поверхности деталей, на их основе рассчитываются графические критерии данной поверхности. К технологическим параметрам относятся информация о станке, инструменте, о видах и режимах обработки.

Применение созданного программного продукта возможно как на производстве для оптимизации микрогеометрии поверхности для отдельных эксплуатационных свойств, так и в исследованиях по выявлению зависимости микрогеометрии от параметров обработки и эксплуатационных свойств поверхности. Интегрированная в программный продукт база данных позволит при накоплении достаточного количества данных определить способ обработки поверхности для получения микрогеометрии, которая обеспечит наилучшее значение эксплуатационного свойства.

В третьей главе исследуется зависимость микрогеометрии поверхности от параметров обработки при импульсном фрезеровании, а именно, от амплитуды осцилляции инструмента и расстояния между импульсами. При импульсном фрезеровании производится дополнительная осцилляция инструмента в направлении оси z, которая способствует улучшению поверхностного слоя, а именно, значительному уменьшению микротрещин и упрочнению материала.

Обработка всех образцов производилась на кафедре Производственных технологий Технического университета города Ильменау на прецизионном вертикальном обрабатывающем центре Realmeca RV-2 5ASP с использованием концевой твердосплавной фрезы диаметром 6 мм. Измерение микрогеометрии осуществлялось с помощью настольного контактно-щупового профилометра Surtronic 3+ фирмы Taylor-Hobson, а также лазерного профилометра UBM-Microfocus Compact. Расчёт параметров микрогеометрии поверхности по ISO 4287:1997 был произведён с помощью программы TalyProfile Lite, по ISO 25178 - с помощью оригинального программного обеспечения профилометра UBM-Microfocus Compact. Параметры согласно ГОСТ 2789-73, а также графические критерии оценки микрогеометрии поверхности были получены с помощью разработанного программного продукта «Лемминг».

Все профили и микротопографии поверхности были подвергнуты фильтрации с применением Фурье-преобразований, а именно, убраны помехи, погрешность установки, отклонение формы и волнистость.

1. Исследование влияния амплитуды осцилляг/ии инструмента на микрогеометрию поверхности при фрезеровании титановых o6pa3ifoe.

Более подробно результаты данного исследования изложены в статье [4]. Образцы фрезеровались при следующих параметрах обработки: подача -0,2 мм/об, частота вращения - 1850 об\мин, глубина резания - 0,5 мм, амплитуда импульса менялась от 5 до 25 мкм с шагом 5 мкм, при постоянном расстоянии между импульсами 10 мкм.

Графические критерии для оценки микрогеометрии рассмотренных выше образцов приведены на рисунках 8 (для профилей) и 9 (для микротопографий).

Плотность распределения ординат

УЮц

Рисунок 8 - Графики плотности распределения ординат профиля (20) для титановых образцов в зависимости от амплитуды осцилляции инструмента (при 5, 10, 15, 20, 25 мкм): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У — ордината профиля; Яч - среднеквадратическое отклонение ординат _исходного профиля_

Плотность распределения ординат

Рисунок 9 - Графики плотности распределения ординат микротопографии (ЗО) поверхностей титановых образцов, полученных импульсным фрезерованием при различных значениях амплитуды осцилляции инструмента (при 5, 10, 15, 20, 25 мкм): Н -отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У -ордината микротопографии; Бя - среднеквадратическое отклонение ординат микротопографии

Выводы: По графику плотности распределения ординат профиля (2Б) можно сказать следующее. Во-первых, наблюдается уменьшение значения экстремума данного графика, следовательно, с увеличением амплитуды импульса будет происходить равномерное изменение характера рельефа к более островершинному, с более глубокими неровностями (различие между графиками в среднем составляет 10%). В то же время наблюдается сдвиг вершины графика вправо, что говорит о всё большем преобладании выступов в рельефе профиля.

По графическим критериям для микротопографий (ЗБ) можно сказать о более заметном, по сравнению с двухмерным случаем, увеличении высоты неровностей с увеличением амплитуды осцилляции инструмента. Уменьшение значения экстремума графика говорит о переходе к такой поверхности, в которой преобладают острые углы (различие между графиками в среднем составляет 15%). Графические критерии образцов,

обработанных при амплитуде импульса в 5 и 10 мкм, идентичны в пределах допуска, следовательно, микротопографии этих поверхностей одинаковы. Аналогично и для образцов, обработанных при амплитуде импульса в 20 и 25 мкм.

2. Исследование влияния амплитуды осцилляции инструмента на микрогеометрию поверхности при фрезеровании алюминиевых образцов.

Образцы из алюминиевого сплава А1СиМ§г фрезеровались при следующих параметрах обработки: подача - 0,32 мм\об, частота вращения -7700 об\мин, глубина резания - 0,5 мм. Амплитуда импульса менялась от 8 до 24 мкм с шагом 8 мкм, при постоянном расстоянии между импульсами в 5 мкм.

Графические критерии для оценки микрогеометрии рассмотренных выше образцов приведены на рисунках 10 (для профилей) и 11 (для микротопографий).

образцов из алюминиевого сплава в зависимости от амплитуды осцилляции инструмента (при 8, 16 и 24 мкм): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината профиля; Яц - среднеквадратическое отклонение _ординат исходного профиля_

Плотность распределения ординат

ом. | 8 мкм ~~ 24 шт |

0.15 • X 0.10 | 16мкм ^^

0.05 / X.

-2-10 12

Рисунок 11 - Графики плотности распределения ординат микротопографии (30) для образцов из алюминиевого сплава в зависимости от амплитуды импульса (при 8, 16 и 24 мкм): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината микротопографии; Бц - среднеквадратическое отклонение ординат

микротопографии

Выводы: При сравнении графиков плотности распределения ординат профиля (20) можно сказать об изменении микрорельефа к более островершинному с увеличением амплитуды импульса (различие между графиками в среднем составляет 10%). Для всех трёх поверхностей характерно преобладание впадин в микрорельефе профиля.

Что касается сравнения графических критериев для микротопографии поверхности (ЗБ), то с увеличением амплитуды наблюдается уменьшение значения экстремума графиков, что говорит об увеличении количества острых углов в микрорельефе (различие между значениями графиков в среднем составляет 8%).

3. Исследование влияния расстояния между импульсами на микрогеометрию поверхности при фрезеровании алюминиевых образцов.

Обработка образцов из алюминиевого сплава А1Си!У^2 производилась при тех же режимах резания, что и в пункте 2. Величина интервала между импульсами изменялась от 5 до 15 мкм с шагом в 5 мкм, а величина амплитуды импульса оставалась зафиксированной на значении в 8 мкм.

Графические критерии для оценки микрогеометрии рассмотренных выше образцов приведены на рисунках 12 (для профилей) и 13 (для микротопографий).

Плотность распределения ординат

У/Яч

Рисунок 12 - Графики плотности распределения ординат профиля (2В) для образцов из алюминиевого сплава А1Си1\^г в зависимости от расстояния между импульсами (при 5, 10 и 15 мкм): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината профиля; Яц - среднеквадратическое отклонение ординат исходного профиля

Плотность распределения ординат

0.25 ■

| 5 мкм |---- ^ л 1

0.20

х 0.15 \

0,10 V

0.05 .

-3 -2 -1 1 2

Рисунок 13 - Графики плотности распределения ординат микротопографии (30) для образцов из алюминиевого сплава А1Си1\^2 в зависимости от расстояния между импульсами (при 5, 10 и 15 мкм): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината микротопографии; Бя - среднеквадратическое отклонение ординат микротопографии

Выводы: По графику плотности распределения ординат профиля (20) можно сказать, что с увеличением значения расстояния между импульсами он становится более островершинным (различие между значениями графиков в среднем составляет 10%). Также наблюдается сдвиг экстремума графика плотности распределения ординат влево, что говорит о всё большем преобладании впадин в рельефе профиля.

Из положения вершины графика плотности распределения ординат микротопографии поверхности (ЗБ) видно, что по мере увеличения расстояния между импульсами увеличивается и глубина выступов и впадин (различие между значениями графиков в среднем составляет 10%). Графические критерии образцов, обработанных при расстоянии между импульсами в 5 и 10 мкм, идентичны в пределах допуска, следовательно, микротопографии этих поверхностей одинаковы.

На основе проведённых исследований в данной главе можно сделать выводы о технологической управляемости микрогеометрии поверхности с помощью параметров импульсного фрезерования таких, как амплитуда осцилляции инструмента и расстояние между импульсами. Все полученные графические критерии занесены в базу данных, чтобы в дальнейшем можно было определить способы получения наилучшей микрогеометрии для данного эксплуатационного свойства.

В четвёртой главе приведены результаты исследований по определению влияния микрогеометрии на процессы возникновения усталостных трещин на поверхности оптического материала при циклических нагрузках, а также по выявлению зависимости лучевой прочности от её микрорельефа.

Съёмка профилограмм и микротопографий образцов производилась с помощью профилометра 2е8соре и оригинального программного обеспечения 2еМарз, а их обработка с помощью разработанного

программного продукта «Лемминг». Исходные профилограммы и микротопографии была подвергнуты фильтрации.

1. Исследование влияния микрорельефа на процессы возникновения трещин на поверхности оптического материала при циклических нагрузках

Здесь исследуется влияние микрогеометрии поверхности призмы оптического затвора на количество циклов нагружения до возникновения усталостных трешин на поверхности материала. Под оптическим затвором понимают устройство, которое обеспечивает перекрытие или пропускание светового потока в течение определённого времени.

В данном исследовании использовался оптический затвор, основанный на эффекте нарушения полного внутреннего отражения. Одна из основных проблем при производстве данного затвора - создание призм, которые были бы способны выдерживать нагрузку свыше 1 млн. циклов до возникновения усталостной трещины.

Для эксперимента было подготовлено 5 образцов-призм из стекла N1-ВК7. Четыре призмы (2, 3, 4, 5) были обработаны полиритом, ещё одна (1) дополнительно обработана коллоидным раствором БЮ2. Призмы 1, 2, 4 были получены из партии изделий, которые в большинстве своём выдерживают только 200 тысяч циклов нагрузки (брак), в то время как призмы 3, 5 были получены из партии, изделия которой выдерживают порядка 1 миллиона циклов нагрузки до возникновения трещин.

Для всех образцов были построены графические критерии оценки микрогеометрии поверхности (рисунки 14, 15).

Плотность распределения ординат

Рисунок 14 - Графики плотности распределения ординат профиля (2Б) для пяти призм оптического затвора (на графиках указаны их номера): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината профиля; Яр -среднеквадратическое отклонение ординат исходного профиля

Рисунок 15 - Графики плотности распределения ординат микротопографии (ЗЭ) для пяти призм оптического затвора (на графиках указаны их номера): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината микротопографии; - среднеквадратическое отклонение ординат микротопографии

Далее было проведено испытание призм в реальных условиях. Результаты исследования представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения количества циклов нагрузки призмы оптического

Номер Количество циклов нагрузки до

призмы возникновения трещины

1 250

2 150

3 1000200

4 200

5 1000000

Выводы: На основе полученных графиков плотностей распределения ординат как профиля, так и микротопографии можно сделать вывод о том, что микрорельеф данных поверхностей отличается незначительно (в среднем отличие 5%), в пределах погрешности измерений (погрешность измерения микрогеометрии для одной поверхности составляет 6%). Следовательно, можно говорить об одинаковой микрогеометрии этих поверхностей и соответственно об отсутствии её влияния на количество циклов нагрузки до возникновения усталостной трещины в оптическом материале для этих образцов. Для подтверждения потребуются дальнейшие исследования на большем количестве изделий.

2. Исследование зависимости лучевой прочности оптической поверхности от её микрорельефа.

В ОСТ-11 070.802-80 дано определение лучевой прочности - это «свойство оптического материала (элемента) выдерживать кратковременное воздействие лазерного излучения и при этом выполнять свои функции и сохранять свои параметры после воздействия».

Для эксперимента было изготовлено 4 оптических окна из кварцевого стекла КУ1, на которые нанесено просветляющее покрытие из частиц 2

образца (окна под номерами 2 и 4) были подвергнуты дополнительной механико-химической обработке.

Для всех образцов были построены графические критерии оценки микрогеометрии поверхности (рисунки 16, 17). Графический критерий поверхности 2 был принят в качестве эталонного с допуском 8%, так как изделия из этой партии были признаны годными но значению лучевой прочности.

Плотность распределения ординат

Рисунок 16 - Графики плотности распределения ординат профиля (2Р) для 4 оптических окон (на графиках указаны их номера, красным показан эталон с полем допуска): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината профиля; ГЦ - среднеквадратическое отклонение ординат исходного профиля

Плотность распределения ординат

0.20 • Н-^Йк-И

0.15 X 0,10

0,05 /л/ л/У

.2-1012

Рисунок 17 - Графики плотности распределения ординат микротопографии (ЗО) для 4 оптических окон (на графиках указаны их номера): Н - отношение количества ординат данной величины к общему количеству ординат; У - ордината микротопографии;

Sq - среднеквадратическое отклонение ординат микротопографии.

В таблице 3 представлены полученные значения порога разрушения покрытия (определяется при 50% вероятности появления разрушения) для окон из кварцевого стекла. Методика измерения порога разрушения покрытия была разработана на кафедре лазерной техники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского национального исследовательского

университета информационных технологий, механики и оптики. Измерения были произведены на этой же кафедре.

Таблица 3 - Значения лучевой прочности для оптических окон из кварцевого стекла с нанесённым просветляющим покрытием._

Поверхность Порог разрушения диэлектрического покрытия, определяемый при 50% вероятности появления разрушения, Дж/см2

1 16, 5 ±2,5

2 27, 5 ±2,5

3 18,0 ±2,5

4 26, 5 ±2,5

Выводы: Графические критерии поверхностей образцов 2 и 4 совпадают в пределах допуска, соответственно, эти поверхности имеют одинаковый микрорельеф и одинаковые свойства (при допуске 8%). В то же время поверхности 1 и 3 имеют микрогеометрию, отличную от поверхностей 2 и 4. По результатам измерения порога разрушения покрытия, представленным в таблице 1, образцы 1 и 3 были признаны браком, а образцы 2 и 4 - годными.

Проведение дальнейших исследований в этой области позволит оптимизировать микрогеометрию поверхности для лучевой прочности для данных условий. Также большую ценность представляет проведение исследований по выявлению зависимости лучевой прочности от параметров финишной полировки, используя непараметрический подход оценки микрогеометрии поверхности.

В Приложение вынесены: акт о внедрении результатов диссертации на кафедре Технологии приборостроения Санкт-Петербургского научно-исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, листинги программ на языке С#, таблицы параметров оценки микрогеометрии поверхности для исследуемых образцов. Заключение.

Основные результаты проведенного комплекса научно-исследовательских работ сводятся к следующему:

1) разработана методика автоматизации контроля микрогеометрии с помощью графических критериев;

2) разработаны программные продукты для реализации методики автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей деталей, что позволяет успешно определять влияние микрогеометрии поверхности деталей на любые их функциональные свойства и оптимизировать это влияние;

3) исследовано влияние амплитуды осцилляции инструмента и величины расстояния между импульсами на микрогеометрию поверхности при импульсном фрезеровании с использованием графических критериев

(доказана технологическая управляемость микрогеометрии поверхности с помощью данных параметров обработки);

4) исследовано влияние микрогеометрии поверхности на лучевую прочность оптической поверхности (доказана возможность контроля микрогеометрии поверхности оптических окон из кварцевого стекла КУ1 путём сравнения графических критериев оценки микрогеометрии данных поверхностей и эталонной поверхности);

5) исследовано влияние микрогеометрии поверхности на количество циклов нагрузки до возникновения усталостной трещины на поверхности оптического материала (доказано отсутствие влияния для призм оптического затвора из стекла N-BK7).

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Валетов, В.А. Программа автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей с помощью непараметрических критериев / В.А. Валетов, Е.А. Филимонова // Металлообработка. -Санкт-Петербург: Политехника, 2011. - № 5. - С. 45-48.

2. Валетов, В.А. Достоверная оценка шероховатости функциональных поверхностей с использованием микротопографий / В.А. Валетов, О.С. Юльметова, Е.А. Филимонова // Металлообработка. - Санкт-Петербург: Политехника, 2012. - № 4. - С. 43-46.

3. Третьяков, С.Д. Оценка шероховатости поверхности с использованием трёхмерных топографий / С.Д. Третьяков, О.С. Юльметова, Е.А. Филимонова // Известия вузов. «Приборостроение» - Санкт-Петербург, 2014. - Т. 57. - Выпуск 8 - С. 58-60.

4. Валетов, В.А. Оценка микрогеометрии поверхности с помощью непараметрических критериев при импульсном фрезеровании / В.А. Валетов, Е.А. Филимонова // Известия вузов. «Приборостроение» -Санкт-Петербург, 2014. - Т. 57. - Выпуск 8 - С. 52-54.

В прочих публикациях:

5. Филимонова, Е.А. Разработка программного комплекса для оценки микрогеометрии поверхности и его использование в технологических исследованиях / Е.А. Филимонова // Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО. - Санкт-Петербург, 2011. - С. 48-49.

6. Филимонова, Е.А. Автоматизация контроля микрогеометрии поверхностей деталей машин и приборов с использованием топографий / Е.А. Филимонова // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург, 2012. - Выпуск 2. -С. 302-303.

7. Филимонова, Е.А. Автоматизация контроля микрогеометрии поверхностей деталей машин и приборов с использованием

топографии / Е.А. Филимонова // IX Всероссийская межвузовская конференция молодых учёных. V сессия научной школы "Проблемы механики и точности в приборостроении". - Санкт-Петербург, 2012. -Вып. 1.-С. 132 - 136.

8. Валетов, В.А. Автоматизация контроля микрогеометрии поверхности с помощью непараметрических критериев / В.А. Валетов, Е.А. Филимонова // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика, часть 1, Материалы к 14-й Международной научно-практической конференции. - Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2012.

9. Валетов, В.А. Программа оценки и контроля шероховатости поверхностей деталей на основе их микротопографий / В.А. Валетов, Е.А. Филимонова // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика, часть 1, Материалы 15ой международной научно-практической конференции. - Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2013. - С. 245-247.

10. Филимонова, Е.А. Программа автоматизированного контроля микрогеометрии с помощью микротопографий / Е.А. Филимонова // Сборник материалов конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы надёжности и диагностики машин и механизмов» - Санкт-Петербург: АП-Хргезв, 2013. - С. 497-501.

11. Программа автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей с помощью непараметрических критериев: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / В.А. Валетов, Е.А. Филимонова -№ 2011613843; опубл. 18.05.2011.

12. Программа автоматизированного контроля и оценки микрогеометрии поверхностей с помощью микротопографий: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / В.А. Валетов, Е.А. Филимонова - № 2014614458; заявл. 03.03.2014; опубл. 24.04.2014.

Подписано в печать 13.10.2014 Формат 60x84 1/16 Цифровая Печ. л. 1.0 _Тираж 100_Заказ 03/10_печать_

Типография «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2) e-mail: fc2003@mail.ru), Корректор Валетов В. А.