автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение ресурса аппаратов высокого давления для синтеза монокристаллических алмазов

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Г I I) 'и . I

УДК 621.91

О 2 ИЮН 1997

МАЛИКОВ Андрей Андреевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСА АППАРАТОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА МОНОКРИСТАЛЛ ИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических Наук

Тула ¡997

Работа выполнена на кафедре "1'ехнология машиностроения"' Тульского государственного университета.

Научный руководитель

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.С.Ямннкоэ

Официальные оппоненты

член-корреспондент Академии Естествознания, доктор технических наук, профессор Л.А.Васин

кандидат технических Н.А.Терехин

наук

Ведущее предприятие

- ЛШП "Сплав"

Защита диссертации состоится "15" мая 1997 г. в 14.00 часов в 9 учебном корпусе, ауд. 101 на заседании специализированного совета К 63.47.01 Тульского государственного университета (300600, г.Тула, пр. Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан " //"а-плья-Х' 1997 г.

Ученый секретарь специализированного сонета, ^ к.т.и., доцент

Е.И.Федин

з

5. При сушеотвуюшсм нз ряде предприятий уровне качества югоюоленил ' деталей. приемлемый срок

йлууотуаШ^кггь темы. На современном этапе промышленного развития

вер5нянетво!ршис троф}шдгтлашаш&1июпборудамй>и)СтЭтО'ЛГ«рЁда}ти гЦЖ»^-

то M : ffs.Viiïfl i W.yfSCTiViPCKîix^ilMiiirïP- ,1

дьl,матда^шюр ¿^TÇfr aет от потребностей народного хозяйства, в связи с ■¡ем рад '^»¿njic^K, гщт'^^ИЯ^ЖШтайРГдаТОШШтГСЙЛ.ГЯтсди-

по-

,га йшш^я&дар®® в Rac-

плаоах н»

тельствуют q его недостаточной конкурентоспособности по сравнению с

синтеза, $б№М№

Позш^ЩЬв^т'ушИчёта^Ь^еИ'Аппаратов высокого давления является весьма актуальной и имеет как практическое, так и научное значение.

Консф)тердштз'СШ5те^ яйбгяаа.

работах В.Б.Бондарепко, А.М.Боримского, Л.В.Герасимовича, М.П.Сав;)у^»л:«. !В:И1Лверяан.чп?е)'рс;В1;{>>'-

поищ^дада^индаш^

вши коюу^кадр^ородр^^

инсфз'менгои для полпенни искусственных алмазоу // Ре-

рабо

г р.

таль

_ j ;iii.'ill'\»;i» ik./i.. V.LIVII11IUUU ' I<1 rt V.ii ivjmui ii ivvi iuw uwvvn v i«,»n<v »»-» • • «к*- • ■ »

в рамках на y ч но-т ехн и ч et ко го проекта Разработка новых составов и тех-адмаУ'У-ЖУШём Aaj?<Si5SftMa:yi и ннстру-

меита Н1}-

тацй1Ш©йДзрбШ,1// '{ТОР ИТ/^РУИ^на^^еха

''Угсряефе?&етт~че^во^>й^п^Ш1фЪчного производства", а также с научными иссйеМаанпямА йо, [»оото-судзр;.'етйшо:«1пс»ддарж1«?р9эдо1шой 11^шдая1игЕвпЙ''Ь1рвс|жпс/М)оир?н:)11|Сопср-

докл. к)билеШшй междунар. науч.-техн. конф. Целью диссертационной работы было тыска-

нис'пош'е^н^щ^^

3 л 5> ^ ^ Г15 п I * "г р-л {г ^Е1 ? ^ ь?1 ■з!^ ^^^ ■ , ^^ > * гл^ _ «а-

и сборки деталей АВД в условиях конкретных предприятий.

I рузочную способность // Проектирование технологических машин / МЕТУ "СТАНКИ!I", М„ !996. Вып. 2. С. 48-53.

7. Маликов A.A., Ямников A.C. Моделирование влияния отклонений геометрических параметров деталей аппаратов высокого давления на их нагрузочную способность // Консгрукгорско-технологическая информатика - 96: Труды 3-го междунар. конгресса. М., 1996. С. 92.

8. Маликов A.A., Ямннков A.C. Метрологические и технологические факторы снижения работоспособности аппаратов высокого давления типа наковальни с углублением // Технология механической обработки и сборки / ТулГУ. Тула, 1996. С. 6-12.

9. Malikov A., Yamnikov A. Upgrading the quality of the equipment for the synthesis of diamands // Современные проблемы машиностроения и технический прогресс: Тез. докл. междунар. иауч.-техн. конф. Донецк, 1996. С. 281-282.

10. Маликов A.A., Ямников A.C. Метрологическое обеспечение качества оснастки для производства искусственных алмазов // Управление качеством финишных методов обработки / ПГТУ. Пермь. 1996. С. 269-273.

11. Маликов A.A., Ямннков A.C. Технологическое обеспечение надежности аппаратов высокого давлен: - цля синтеза монокристаллических алмазов // Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве: Тез. докл. наун:.-техн. конф. М., 1996. С. 253-255.

12. Маликов A.A., Ямников A.C. Разработка средств метрологического обеспечения функциональной взаимозаменяемости деталей конических соединений с натягом блок-матриц аппаратов высокого давления // Режущие инструменты и метрологические аспекты их производства I ТулГУ. Ту- • ла, 1996. С. 54-66.

13. Маликов A.A., Сабинина А.Л. О проблеме ресурсосбережения при 1 проектировании и изготовлении специальной технологической оснастки II Демидовские чтения. Первый юбилейный выпуск. Тула, 1996. С. 40-47.

14. Ямников A.C., Маликов A.A. Некоторые аспекты производства искусственных сверхтвердых материалов на предприятиях Тульской области?/Демидовские чтения. Второй выпуск. Тула, 1996. С. 74-78.

U один cano » игчгт. ЛС4-ОГ. Форнэт бумаги 60x84 1/16. Бумага типограф. Nv 2. Офсетная печать. Ус*, иеч-х. Усл. гр.-отт. / Z . Уч.-нзд-л. С Тирхх /СГтжл. 3*каз п с .

Тульский государственный уквпсрситст. 300000, Тула, просо. Ленина, S2. Подразделение оперативной полиграфии Тульского государственною универ-. ситста. 3ÜOGOQ Туда, yi-Болднга, 151.

Агур)р зящчтзег;

1. Результаты ресурсных испытаний аппаратов высокого давления, изготовленных по типовой технологии. •

2. Результаты исследования геометрической точности деталей АВД, . изготовленных по типовой технологии и имеющих недостаточный ресурс.

3. Аналитические зависимости, устанавливающие функциональную рйцзь между снижением несущей способности блок-матриц аппаратов вы-«»¡сого давления и отклонениями геометрических параметров деталей, образующих высоконзгружснныс конические соединения с натягом.

4. Результаты анализа Технологических и метрологических факторе« 1;озннкнопе!!ня неприемлемых отклонений геометрических параметров у деталей АВД, изготовленных по типовому технологическому процессу.

5. Нормы точности на геометрические параметры деталей АВД, найденные по принципу функциональной взаимозаменяемости с учетом нолу-'-■'мных автором связей м« г -,у снижением несущей способности блок-матриц и отклонениями геометрнческ-нх параметров.

6. Рекомендации по совершенствованию технологии механической обработки, контроля и сборки детален АВД.

7. Результаты исследсг,з>:;:я геометрической точности деталей, »-готовленных по предлагаемой технологии.

3. Результаты производственных испытанна опытной партии АПД, изготовленных по предлагаемой технологии.

Методы исследовангш, Теоретические исследования проводились на сснопе теории'упругости, тгорки функциональной взаимозаменяемости, тгорлн расчета размерны?; цепей, а также математического анализа, статистического моделирования и программирования. Достоверность экспериментальных исследований обеспечивалась статистической обработкой результатов и проверкой адекватности.

АпроДания р 'Гц-пь;. Основные положения диссертационной работы Сылн доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 1995-1997 гг., на Всероссийском совещании "Проблемы теории проектирования и производства инструмента" (г. Тула, 1995 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Материалы и конструкции в машиностроении, стронтеяьстпг, сельском хозяйстве" (г. Вологда, 1996 г.), на меяздународнмх научно-технических конференциях "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс" (г. Донецк, 1996 г.), "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения" (г. Тула, 19'К г.), "ИзнососгошсЛлъ машин" (г. Брянск, 1996 г.), на первых и вторых юбилейных Демидовских чтениях (г. Тула, 1996 г.), на третьем международном конгрессе "Конструкторско-технологическая информатика. КТИ-96" (г. Москва, 1996 г.) . V _

Прзгетичсскяи реялтзция. Разработанные рекомендации по определению допусков на детали бандажированной оснастки, совершенствованию механической обработки и сборки деталей блок-матриц АВД, контролю

точных коротких конусов, приняты к внедрению на АО "Полема-Тулачермет" и АО "Тулаточмаш".

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка литературы из 141 наименования и приложений. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 36 таблиц.

Основное содержание работы

> В первой глава диссертации на базе анализа литературных источников рассмотрены физико-химические основы синтеза монокрисгаллических алмазов. Показано, что спонтанная кристаллизация алмазов осуществляется при температуре 1320-1470 К и давлении 4.2 - 4.5 ГПа, превосходящем прочность любых конструкционных материалов, что требует для реализации процесса применения специальных аппаратов высокого давления, в конструкциях которых используется принцип "массивной поддержки".

1 2 3 4 7 8

Рис.1. Аппарат высокого давления типа иаковаяыш с углублением. 1 -твердосплавная матрица; 2 - нагрева!пель; 3 - реакционный состав; 4 - деформируемое уплотнение; 5 - наружное; б - промежуточное; 7 - внутреннее поддерживающие кольца; 8 - нажимная; 9 - опорная плита пресса для синтеза; А - верхняя; Б - нижняя блок матрица.

Наибольшее распространение для промышленного синтеза алмазов в . России получили АВД типа наковальни с углублением (рис. 1), созданные В.Н.Бакулем, Л.Ф.Верещагиным, А.А.Шульженко и состоящие из двух твердосплавных матриц с углублениями на смыкающихся поверхностях,

нагревателя с реакционным составом, контейнера и; у.чругопяаст нчного материала, образующего деформируемое уплотнение. Каждая матрица окружена блоком стальных закаленных колец, создающим л ее теле предварительные сжимающие напряжения за счет конических соединений с натягом. Критерием непригодности аппаратов к дальнейшей эксплуатации является из получение спека, содержащего монокристаллы алмаза. Это вызывается нарушениями параметров процесса, т.е. необходимого соотношения температуры и давления, при котором оказывается еще возможной спонтанная кристаллизация алмазов. Кгак показывает опыт, такое нарушение в подавляющем большинстве случаев происходит из-за разгерметизации рабочей камеры вследствие разрушения матриц. Виды разрушения изучались автором опытным путем в технологических условиях конкретного алмазного протзодстал. Каждый случай выхода аппарата высокого давления из строя описывался набором внешних признаков, согласно известной по литературе классификации видов разрушения твердосплавных матриц АВД. Был прослежен процесс разрушения матриц 60 аппаратов в течение трех рабочих смен. По полученным данным с помошью пакета программ "Статграф" на ЭВМ были выведены частоты появления каждого признака, рассчитаны выборочное среднее, выборочная дисперсия, среднее квалратп-ческое отклонение ¡1 доверительный интервал ресурса, осуществлена проверка гипотезы о нормально?! распределении ресурса а исследованной вм-боркг. Установлено, что в °7% случаев имилп место разрушения характеризуемые иризн ¡ками'классификации, свидетельствующими о малсииклогоМ усталопн матеркплл твердосплавной м;г)риц«.т; ресурс матриц в Выборге еоетагил от 3» до 543 пресс-спеканий, что с доверительной зероятностьго 0.95 дало в среднем 5б±6 циклов; проверка пнготезы о нормальном распределении ресурса с помощью х1 - критерия Пирсона показала с вероятность« 0Л'9 отсутспл'.е Т1:;сй.закономерности. Подученные данные указырают ид дейездие весьма ограниченного числа доминирующих отрицательных факторе.» и д.пог основание утвер;хдать, что матрицы еще до начала своей работы имели леудезлегаорительную несущую способность из-за присутствия а 1гх теле либо мощного концентратора напряжений, резко уменьшающего мкл^цнхлоп'уга прочность, либо недостаточного напряженного состояния послз зчпрессовки в поддерживающие кольца. Первое свидетельствует о нарушен::;! ~злнчт;и и характера распределения напряжений а телз матрицы, зтероз - о сиихгенни урсяня его напряженного состояния. Была выска-'птотпа а го?!, что обе Причины носят технологический характер и сказаны с неприемлемыми геометрическими отклонениями деталей, образует^« в: ;гсксщ1нр1жен:!ь!0 Конические соединения с натягом в блок-«птритих «ппзротоя высокого давления. Проведенный анализ литературных ксточникоз показал отсутствие открытых материалов по технологическому и мярологкческому обеспечению производства деталей АЗД. В то -ач' Время в отечественной науке имеется ряд крупных достижении, полу-ченкых трудами В.И.Авсрчейшва, Л.М.ДаяНсуого. Н.В.Демктщ, И.В.Дуч1ша-!»аркогскога, М.А.1штй*п»»а, И.А.Когаиова,

А.А.Маталина, АС.Проникова, Э.В.Рыжова, Э.А.Сатеяя, А.Г.Суслоаэ и др., открывающих пути повышения долговечности и эксплуатационных ха-рактеристшс оборудования, работающего в экстремальных условиях. Это дало основание выбрать в качестве одного да перспективных технологическое направление повышения ресурса аппаратов высокого давления, сформулировать цель диссертационной работы и поставить ее основные задачи.

Во второй главе представлены результаты исследования технологических возможностей типового процесса изготовления и сборки деталей блок-матриц аппаратов высокого давления. С цель» проверки высказанной в первой главе гипотезы, было проведено исследование геометрической точности деталей у АВД имеющих недостаточный ресурс работы и изготовленных по типовой технологии. Оценке в случайных выборках по 30 изделий подвергались геометрические параметры, оказывающие наиболее существенное влияние на формирование характера напряженного состояния твердосплавной матрицы, а, следовательно, и на ее малоцикловую усталостную прочность. У матрицы и кольца 7 (см. рис. 1) после его запрессовки в комплект колец 5, 6 и растрчки внутреннего-(сонуса измерялись отклонение от круглости EFE конической поверхности в среднем сечении (по чертежу допуск круглости TFK = 0.010 мм), отклонение от прямолинейности образующей конической поверхности EFL в диаметральной плоскости (допуск TFL = 0.010 мм), шероховатость Ra конической поверхности вдоль ее образующее (по чертежу Ra не более 1.25 мкм на стандартной базовой длине), угол уклона образующей а/2 конической поверхности (по чертежу предельные отклонения ±2'). Проверялось начальное базорасстояние ZpS в коническом соединении мазрицы и внутреннего кольца (по чертежу поле допуска 6-с.4), а у собранной блок-матрицы - отклонение от параллельности ЕРА опорной поверхности матрицы относительно поверхности ее запирающего пояска (допуск ТРА - 0.05 мм). Использовались измерительные средства, предел допускаемой погрешности которых не превышал 1/3 от величины допуска на соответствующий параметр. Так отклонение EFE и EFL измерялись на круглоцере "Talyrond-З"; Ra - профилографом-профнлометром модели 201 завода "Калибр"; а/2 - с помощью прецизионного инструментального микроскопа УИМ-21, снабженного бисекгорной Головкой и индикатором ИЧ50; Zp, - индикаторным глубиномером ГИ-1М; ЕРА ' с помощью поверочной плиты и электронного модуля ВВ6276 с индуктивным преобразованием; установленном на штативе ШМ-1Ш18. В результате статистической обработки полученных данных на ЭВМ с помощью пака а "Статграф" были найдены выборочные средние и доверительные интервалы при уровне значимости 0.05 По каждому контролируемому параметру. Они гостаадлн дп* матрицы: EFE - 0.03910.004, EFL -0.(Í26±0.003, а/2 = t°29'±Ö°0'48", Ra «» 2.4ití.¡ мкм; для внутреннего кольца: EFE = 0.069±0.008, EFL = 0.042±0.003, а/2 = 1и39'±0°0'27", Ra = 1.8±0.1 мкм; в начальном положении сопрягаемых конусов Матрицы и внутреннего кольца Zp, - 5.72±0.16; у собранной блок-Матрицы ЕРА = 029±0,02. Полученные данные позволяют консГаТрроаать, что отклонения формы деталей

превышают предельно допустимые значения и соотвегсгвугот 9-10-Й степеням точности ["ОСТ 24643-81, т.е. ira'2 - 3 степени грубее тргбусмой для деталей, образующих отаетст»зеиные конические соединения с натягом; а поперечной сечении БПутреннйго конуса внутреннего кольца кп круглограм-НЗл фиксировалась оьальность, р. наружного конуса тпердосплазгюй нат-piuib» - неопределённый характер профиля; шероховатость конических поверхностей в Î.5-2 раза выше рекомендуемой для деталей, образуюших конические соединен«:! с натягов; наблтодагтея весьма неблагоприятное сочетание углов уклона у нгриых дегшгей; отклонение от параллельности опорной поверхности блок-магрпцы относительно запирающего пскска почти п Шесть раз превышает.предельно допустимое значение; начальное базоряе-стояине в начальном положении матрицы и комплекта поддерживающих колец в большинстве случаев удовлетворяют заданному полю допуска; распределение всех геометрических параметров плохо согласуется с кормапь-гьш. Таким обрезом, прове.-ï шое исследование показало, что действующий технологический процесс, применяемое при этом оборудование, о с Пястка и метрологическое хозяйство не обеспечивают качества функционал; -Но важных. геометрических параметров как отдельных детален, так ¡! бяои-матрнц в целок. Это может отрицательно сказываться на сроке службы аппаратов высокого давления I! поставит;. задачу о создании альтернативней технологии. ,

R тгетьей глаад представлены результаты теоретического исследования связи отклонений геометрических параметров деталей блок-матриц и ресурса епгпратов высокого давление. Целью исследования было оценить степень влияния отклонений из работоспособность оснастки длз обоснованного назначения допусков и выявления наиболее эффективных направлений технологического воздействил при изготовлении качественных аппаратов высокого давления. Решение задачи методом испытаний оказалось невозможным из-за высокой стоимости И трудностей организационного характера, поэтому в диссертации был использован, численный эксперимент на ЭВМ.

В качестве основной математической модели использовали зависимости, предложенные в работах П.М.Грицишина и М.П.Сапрука, и noiuo-дагопцге на базе теории максимальных касательных напряжений определять контактные давления qm а стыках элементов бандажированион оснастки при заданных значениях ее конструктивных параметров и упругонласгнче-схих свойствах материалов деталей. Для обеспечения наибольшего ресурса блок-матриц должно быть создано при Их сборке максимально возможное напряженное состояние твердосплавной матрицы за счет ее равномерно о обжатия комплектом стальных закаленных поддерживающих колеи. П.М.Грицишиным предложено характеризовать это состояние формальным параметром, названным "иссушен способностью" и'оценивать его величиной отношения q„/оу, где qm - контактное давление комплекта поддерживающих колец на твердосплавную матрицу, от - предел текучести материала колеи, В работах В.И.Левитаса, М.П.Сапрука, С.И.Шестакова пока

зано, что при абсолютно стабильных уиругоплгстнчгскцх хараетеристпках материала и отсутствии отклонений геометрических параметров теоретически возможный ресурс Р.г (около 500 циклоп пресс-спеканий) следует ожидать,-если отношение q,/or - 1. Неизбежные дефекты будут приводить к изменению q„, а, следовательно, уменьшен«;« нагрузочной способности оснастки и срока ее работь;. Тсгдя ожлдаемый ресурс аппаратов высокого давления Г'0 с учетом влзшши; отклонений можно представить с в;;дс Ко --Ку х Rt, где Ку - коэффициент уменьшения несушей споссЗаости равный произведению Y.у = Kyi х Kyi к ... Куг. Таким образом, задача сводится к определению коэффициенте» уменьшения несущей способность' Ку„ по ks-5ЭДому влияющему па ресурс АВД параметру.-

Nma:

-ч

■zd

<т

г А

Mmin Д/„

Рис.2. Взаимное расположение деталей и распределение дшмепфаьнюго ;»sfjaa N по высоте h в сосдипеиип твердосплавной матрицы 1 с комплектом мддерживаюи(их колец 2. а) тч/шьнее; б) конечное положение еонрлгаемъ'х конусов.

Для вывода зависимостей; аналитически огшсывахош;;;: эти коэффициенты, автором было сделано предоош&еяис о том, что несущая способность связана прямой пропорциональной злзкенмоегьго с сгл;»шпо:< контактного давления по бссн чоксрхпосш соединен;;..! матрицы и кольца которая при разных углах уклона си н иг соединяемых деталей (рнг.*2) может быть найдена по'формулг: "

Qn. = iA(S! ''G«,} ~ y(?Sai -tgctjdy ,

(1)

1дг A - коэффициент, учитывали:»! упругопластически:, стоистиа разнородных материалов матрицы и кольца, а также номинальные размеры деталей, S - "осевой натяг" (начальное базорасстояннг конического соедипе-

аил матрицы я кольна), найденный расчетом по основной натсиатнчггюЯ модели.

После интегрирования и соответствующих прсобразом»н«Я гтопучим:

. (2)

"" ' 1з а ^ 2 я Д ¡84,)) ,

При отсутствии отклонений 0„ будет соотзетстговать теоретически возможному ресурсу и определяться по формуле (2т,р ~ (¡-А-.?, ■!(;и . Тогда коэффициент уменьшения несущей способности, учитывающий отклонении от номинальное угяоа уклона конусов матрицы и кольца бу:гет опишаглься формулой:

Г Ь С

К = --—I---1--^- . (3)

у гва V 2з tga|JJ

Коэффициенты уменьшения несущей способности из-за действия от-;а:с!)еш'Г1 формы Кур « шероховатости Кук устанвшпшались на основании с'лп.пх положений теории функциональней ьзаимозаменяемостн путем попе::,'! чгсгних нроизяодиых от функция (2) по сошветпзующему гичммет-,»у. И ризу.;'ьт:иг арссиразопгашй быпл получены •»аапсимости:

X ~ .К . N - и(я. + Н,;) к =•------'--к , (н к., -----——'—-л: , (5)

гдг // - загачена? диаметрального натяга, рассчи-

танное с иомощмо слло.^чсЛ ¡.< «тематической мддеяи, из усдозия соч-д-'нпя 15ч по"грхлостн твердосплавной матрицы контактных нзирягсе-н.'Щ (¡„ т- <тт, оф - отклонеш;е формы, н Яг1 - параметры шероховатости соединяем; г; деталей.

В соо'с'лсгл'п с предложенной моделью на ЭВМ были рассчитаны йеллчипы коэффициентов К.уп для диапазонов изменения отклонений от О до .чаяЗолыпих значений, найденных а ходе исследования точности деталей -1 лсс-матриц (см. выше). Результаты численного эксперимента-представлены на графиках (рис. 3).Анолиз полученных данных позволяет констатировать, что »рн сделанных допущениях влияние рассмотренных факторов на рггурс лмеег лнпейиыП характер, влияние отклонений углов, формы и шероховатости функционально значимо, доминирующее влияние на нагрузочную способность оказывают отклонения углов уклона соединяемых деталей.

Полученные результаты позволяют решать комплекс задач розни-кз»!Д!и при проекткрояаюш, изготовлении и эксплуатации блок-матриц АПД. Э чгстностн они дали возможность спрогнозировать ожидаемый ресурс осиасцси с зависимости от Достигнутой & услоайях конкретного про-н^одстда геометрической точности детален. Для увеличения достоверности прогноза при, большом рассеянии отклонений у деталей случайной выборки задача решалась путем статистического модглиробапия. Методой Монте-Карло были определены вгроатмбепшгё хар'егятфиггияи рзгпреде-

i 2

ленкя коэффициентов Ку0 при экспериментально полученных данных о распределении каждого влияющего параметра. Так, например, при выборочный. средних углов уклона матрицы 1°29' и внутреннего поддерживающею кольца 1°39' н соответствующих им выборочным дисперсиям sai = 19.9' i: s:,г - 6.3' было найдено среднее значение коэффициента Кус - 0.6! при среднем квадрзтическаы отклонении 0.12. Если предположить, что смоделированное распределение ресурса налягте;! нормальным, то вероятность получения экономически приемлемого срока службы АВД - 400 циклов пресс-спеканий составит всего около 3%.

1,0

0,9

о,а oj 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

о

К,

ild

\

— \ —

\

\

N

—

• /

10 15 20 25 30 6ф,мкм

4. 6 3- 10 12

Ad'

0>95

qgo

о 2 4 в 8 10 12 Rj t мкм

Рис.3. Зависимости козффтнецпюв'укецьцтгм нагрузочной способности от отклонений влияющих параметров.

Таким образом, проведенные теоретические цсслгдоаания показали, что для обеспечения находимой рентабельности алмазного производства иеизбе&цо потребуется создание альтернативной технологии. При этом наиболее эффективным направлением технологического воздействия должно стать формирование минимальных отклонений углов уклона и формы деталей.

исследовались причины во;Н!п;'гог>йП1!Ч неприемлемых погрешностей деталей блок-матриц АВД в действующем на производстве технологическом процессе, Рассматривались две группы факторов -метрологического и технологического характера. Первая группа выявлялась путем метрологической экспертизы заводских чертеже;'!, а тзкже аналгоа технологических карт контроля детален. Бь1ло установлено, что в конструкции блок-матрицы используются два способа фиксации взаимного Положения наружных и внутренних ко!Г/соч после их сборки, предусмотренных ГОСТ 25307-82. Так, при соединении наружного и промежуточного колец.(см. рис. 1) применяется коническая посадка с фиксацией путем совмещения конструктивных -элементов, а при соединении внутреннего кольца с комплекте«.!, состоящим" из наружного и промежуточного колец, и при соединении матрицы со всем блоком поддерживающих колец - посадка с фиксацией по заданному оссг'ому расстоянию. Однако принятая' на заводских чертежах система простановки размеров « нормирования допусков противоречит требованиям ГОСТ 2.320-82 и ГОСТ 25307-82, что вызывает появление целого комплекса факторов, отрицательно сказывающихся из геометрической точности функционально-важных поверхностей деталей. Наиболее существенными из ш;х являются следующие:

' - на конструкторских чертежах не задаются пределыте отклонения диаметральных размеров сопрягаемых конусов, а допуски Т0 этих размеров з нарушение ГОСТ 2.302-82 оговариваются косвенно, нормированием полрй допуске в начальных базсрасстояннй (рио. 4), что не обеспечивает взаимозаменяемости детале:!;

0 43,5

О 0,010

— 0,0 to

дпя справок

Рис.4. Простановка размеров деталей конических соединений с натягом на заводских канструШорскцх Чертежах.

- принятый для всех конических соединений допуск начального базо-рассто.чния- Тгрз = 0.4 мм при номинальном значении угла уклона tsA - 1 °30' требует выполнения диаметральных размеров с допусками Ть = 0.01 м>4,

и

410 нарушает нредимсвиные ГОСТ 25307-32 соотношения 7ТК£ Тр/2, ТУ1 <Т,/2;

- при отсутствии на производстве дорогостоящих'средств контроле отклонении формы и углов конусов начальное базораесгояиие, фиксируемое в процессе оценки годности деталей перед сборкой в пределах заданного поля допуски (см. выше), говорят о соотношении диаметральных размеров, характеризующем ожидаемое напряженное состояние, а о случайном п неконтролируемом контакте макронгровностеи сопрягаемых подерхка-стей; ' '

- на чертежах отсутствует "привязка" осей конусов к базоаым торцам деталей, что может приводить к нарушению осиимметрнчного характера распределении сжимающих твердосплавную матрицу напряжений и способствовать самораспргссонке соединений;'

- в качестве основной конструкторской балы всего сборочного комплекта и отдельно тьердосилгшной матрицы необоснованно используется поверхность ее запиракццето цояска, которая поелв свободного спекай:;;.! детали представляет собой не плоскость, а пространстьенную кривую получаемую иеросеченпем механически необработанных конических поверхностей торца со стороны реакционной л/икн.

Вторая групт факторов выявлялась путем анализа действующего технологического процесса механический обработки и сборки деталей блок-матрац. Наиболее сущ:сгиеши>ши ш них являются:

- опщб.чн при рлззорэнг ¿ерхиих салаэ.ж юкарисго станка, приеодк-щис к неприемлемым*0зсчч:::п1чм углов уклона конусов нодцерксипающи:; ,колеи. Использование длл юлпроля углокера, дающего погрешность нзме-рыич, превышающую допуск на угол, не поиюяяст объективно оценивать этот параметр и вносить соответствующие коррективы в настройку пайка;

- расточка ьнутречних конусов промежуточного и внутреннего колец, осуществляемая после их запрсссожи в охватывающие детали. При зток наТшоддстсм недопустимо большое, достигающее 0.3 мм, отклонение от соосности сопрягаемых пэиеркносгеГ;. Причиной служит непараллельное!! опорной и нажимной щам ».боречнего прсесп, которая ю-за отсутствия си-моц'-нтрирован;;;: коротких конических деталей приводит к их перекосу. Последсгаием этого явления, наиболее сильно сказывающимся на снижен«»! работоспособности ЛВД, становится отклонение от круглости конического отверстия во рнутргинем кашдо, з.;ач:псл;,но арееишаннцеэ предельно допустимое (см. ьыше). Причем для исех детален исследованной выборки ия крутлограммах фиксировала^ овальность подтверждающая действие технологической наследсггиоиностн;

- шлифовщиц. тирух'ного конуса твердосплавной матрицы при базн-ровании детали по необработанным Поверхностям ^ опорного торцч (установочная база), имеющего выпуклость до 0.!4±0.03 и Конической части реакционной лунки (двойная .опорная база), имеющей отклонение от перпендикулярное-!!) оси, равное 0.24±0.06 на высоте детали. Из-за гаки/, отклонений при осеьом зажиме заготовки и приспособлении для алмазного

î 5

шлифс-вання возникает погрешность закрепления, приводящая к "отрыву" раготовки от установочной или опорной базы (рис. 3) и нарушающая постоянство траектории обрабатываемой поверхности относительно шлифовального круги; "

- использование в качестве установочной базы при плоском алмазном шлифовании спорной поверхности блшг-матрицы торца наружного кольца со стороны основания конусов, имеющего относительно запирающего ноя-екг твердосплавной матрицы отклонение от параллельности, раг'лог 0.г;±0.с08. При кесозпадгшш конструкторской и техгголепггеехо'" баз это отклонение проявляет ссб.ч ¡сак погрешность бззиропакпя к почта пялно-егьм переносится при шлифизанпи (с'м. выше) на готопутг) блок-матрицу. В результате нарушается процесс образования деформируемого уплат пета, что отрицательно сказывается на герметичности рабочей камеры, качестве синтезируемыхалмазов и рпСтгоспособности АВД.

Рис. 5. "Qwpi ы " msepùocmaxiot! .\тхрт>н -а) от установочной; б) ягл О'л dtj'-зйной опорной (i-.iV't на c-i'rpnçrj яяхязыго шлифования наружного коау-cj„ I - ось орсицеюа базирующих элементов приспособления; 2 - ось конической поверхностиреат?.:оннай ny.ixu; Р - усилие зауснмл; в) схем?л Сазчроватч.

Пропедггшоз нсследо.чашге позволило наметить .'«нгкретные пу. <; улучшения ггхтолепш изготовления, контроля и сЛорки дзталей блок-:-гаТрИЦ. "

B,n?Ti>'1 глуз предста^лгны рекомендации по $ совершенствованию процесса изготозлгни-! деталей блок-матриц, а также результаты исследо-ьаипй П'здтря'лшших правильность высказанных автором тсореттисскта noj'C)Kth;;:i. Прспгдеппын анализ (см. выше) показал, что необходимые решения должны'носить комплексный характер н охватывать метрологича-сгсне и технологические гепетегы. Реализация первой группы мероприятий гкяючала.корректировку чертежей с у чего?; требован?:» стандарт« и разработанной азтером модели. Так в соответствии с ГОСТ 25307-82 и 2.320-S2 было предложено задавать на сборочном чертеже блок-матрицы сочетания полги допусков конических отверстий и валов в основных плоскостях, принимая при этом'основное отклонение H по ГОСТ 25346-89 для внутрсн-

■Р'

них и рассшггьшая вероятностным методом предельные отклонения доь !К> рух:иых элементов. Допуски !Т7 для отверстий t: IT6 для валоь определились по принципу функциональной взаимозаменяемости с использование!! предложенной автором модели. Расчеты показали, что рассеяние размеров В пределах назначенных полей допусков может привести к снижению идущей способности соединении не более чем па 7%. Было предложено регламентировать точность конусов дегелей блок-матриц совместные нормированием всех видов допусков - допуском диаметра конуса в ыобом ссчешм. Тогда в случае полною использования назначенных допусков па диаметры наибольшие отклонения фирмы могут досгнгать для твердосплавной матрицы EFE ~ EFL - 0.008, отклонение угла уклона ±0°Г30", а для кошме-ского отверстия во внутреннем кольце соответственно 0.0Í2 п ±032'. При этом Ra не должно превышать 0.6 &:км для матрицы н 1.2 цлгх кольца. Согласно разработанной автором модели такие отклонения могут приогстн к дополнительному снижешио несущей способности на 8% из-за кссаженья формы, 17% из-за искажения угла конуса и на 6% из-за шерохогатости, р. общее снижение из-за действия отклонений всего комплекса параметра! составит 38%.

+ 0,025

04J +0>025 *

3°

Рис. 6. Рекомендуемая простановка размеров конических элементов на конструкторских черлгежах дст&кй блок-матрщ аппаратов высокого дс,г~ К'иия. I - твердосплавная маи.puiia; 2) внутреннее поддер,-чапающее кольцо.

На данном этапе решения проблемы обеспечения ресурса это было признано удовлетворительным, что дало основание из дополнять требования чертежей более узкими допусками формы и угла уклона. Примеры рекомендуемой простановки размеров даны на фрагментах конструкторских чертежей (рис. 6).

Предложенный вариант нормирования точности конусов деталей блок-матриц позволяет свести приемочный контроль к оценке в основном диаметральных размеров, которую рекомендовано осуществлять или универсальными средствами или контрольными приспособлениями снабженными индикаторными отсчетными устройствами. В работе дана подробная информация о рекомендуемых средствах, выпускаемых предприятиями отечественной промышленности, даны метрологические схемы предлагаемых контрольных приспособлений, чертежи деталей в технологических картах контроля различными средствами, настроечные данные, а также зависимости для их расчета. После отладки технологического процесса и обеспечения его необходимого запаса по точности формы и углов уклона конусов автором рекомендуется осуществлять подгонку Диаметральных размеров с помощью конических калибров по ГОСТ 24932-81. В диссертации приводятся зависимости для расчета исполнительных размеров, а также конструкции калибров с учетом особенностей деталей блок-матриц.

' Реализация второй группы мероприятий включала комплекс технологических воздействий- в Направлении гарантированной точности настройки оборудован ил, обеспечения подготовки надежных технологических баз, совмещения осей конических деталей при их запрессовке. В частности, были предложены следующие мероприятия:

- ввести в процесс изготовление твердосплавной матрицы две ручные операции. Во-первых - притирку запирающего пояска с плоскостью до образования ленточки и, во-вторых, создание со стороны рабочего торца узкого центрирующего пояска, соосного с поверхностью реакционной лунки и имеющего ось перпендикулярную основной базе матрицы (плоскости запирающего пояска). Между операциями притирки осуществляется алмазное шлифование опорной плоскости матрицы относительно притертой ле1тточ-ки запирающего пояска. На операции алмазного шлифования наружного конуса матрицы рекомендовано использовать в качестве установочной базы подготовленную таким образом плоскость опорного торца, а в качестве двойной опорной базы - центрирующую ленточку (рис. 7);

- заменить токарную обработку стальных закаленнь*х колец поддерживающего бандажа шлифованием, вести обработку ИХ внутренних конусов Sea предварительной запрессовки Й охватывающую деталь;

- осуществлять окончательное шлифование опорной поверхности блок-матрицы, базару* комплект деталей по притертой плоскости ленточки запиДОющего пояска твердосплавной магриЦы.

Для реализации всего комплекса Предложений технологического характера потребовалась разработка соо+ветствующей оснастки. Так для притирки центрирующего пояска Нсполью;шюсь приспособление, созданное на базе стаНдйртноТо прибора проверки На бкеине в вертикальных цен-

трах. D коническое отверстие нижнего центра устанавливался вращающийся столик с матрицей, а к здзсрстшо верхнею neirrpa принасовьшался чугунный конический притир, играющий одновременно-роль ловителя при базировании летали на столике.

Рис. 7. Рекомендуемая, схема базирования и установка -твсрдоснлаеноп мп:ирицы я приспособлении дли а цшзнаго иаифованш ее наружного конуса.

Для шлифования наружного конуса матрицы было создано приспособление. устанавливаемое л ллсточташ увост направляющих верхней части сгола круглошлифовапьною стайка, и пркэодящееся во вращение поводком передней бабки (рис. 8).

Рис.8. Устатго прис^эссбчаят для итфоеания трузтюго конуса ■ tncspdacn.r>c::uifi па кругяоаоифовцшым анетке ЗБ12.

было принято решение отказаться от качения деталей во вращающихся элементах приспособления и заменить его скольжением стальных закаленных и припасованных друг к другу поверхностей (см. рис. 7)/ Для исключения влияния неточности сборочного пресса на расположение осей деталей в блок-матрице было предложено сборочное приспособление, сконструированное на базе стандартного блока для Листовой штамповки по ГОСТ 14672-83 (рис. 9). Приспособление устанавливается на нижнюю под-штамповую плиту сборочного пресса и приводится в действие нажимной шпкой, закрепленной в верхней подштамповой плите. Четыре диагонально расположенных колонны и шариковые направляющие обеспечивают плос-ко-параллельиое перемещение исполнительных, органов с отклонением не превышающим 0.02. '

Рис. 9. Приспособление для сборки деталей блок-матриц.

Для проверки высказанных положений и рекомендаций была изготовлена опытная партия из шести комплектов аппаратов высокого давления. Перед сборкой были зафиксированы следующие отклонения геометрических параметров: у твердосплавной матрицы EFE = 0.009Ю.001, EFL = 0.006М.001, а/2 = РЗО'гИГОЧО", Ra = 0.79Ю.03; у конического отверстия во внутреннем кольце - EFL = 0.011 ±0.003, EFL = 0.006±0.002, all = 1°30'±000'3б", Ra = 1.11±0.03. С помощью пакета "Статграф" бьтл установлен значимый характер отличия этих отклонений от полученных (см. выше) при обработке деталей по типовой технологии. Комплектование деталей в каждую матрицу осуществлялось в соответствии с Найденной степенью влияния каждого вида отклонения на несущую способность. Так в пары, прежде всего, соединялись детали, имеющие самые близкие по величине углы уклона образующих. Собранные блок-матрицы подвергались в течение 5 циклов предварительной опрессовке и затем окончательному шлифованию опорной поверхности от запирающего пояска. Это обеспечило ЕРА ~

0.029x0.002. При синтезе алмазов в производственных условиях был прослежен процесс разрушения матриц АВД опытной партии. Установлено, что в 100% случаев имели место разрушения, характеризуемые признаками (пластическая деформация запирающего поиска, эрозия лунки и т.д.) свидетельствующими об отсутствии в теле матриц до начала их работы концентратора напряжений и гоьорящими, что процесс разрушения, больше связан со свойствами и дефектами ма гериала матрицы, чем с ее напряженным состоянием. Срок службы матриц б АВД опытной партии состава от 294 до 376 пресс-спеканий, что дало в среднем 327±!2 циклов. Таглм образом, была подтвержден:) высказанная ранее гипотеза о связи ресурса АВД с геометрической точностью деталей. Предварительный экономический анализ показал, что, несмотря на увеличение издгрхсек производства блок-матриц, доля стоимости оснастки в себестоимости конечного продукта уменьшаете« за счет увеличения срока ее службы.

Основные выводы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе показаны реальные возможности повышения долговечности блок-йатриц аппаратов высокого давления для синтеза монокрисгаллических алмазов за счет совершенствования технологии механической ^¿работки детален, их контроля к сборки. Обоснована возможность изготовления взаимозаменяемых конических соединения с натягом в блс.;-матрицах АВД и даны технические решения для реализации" новой технологии. Таким образом, еще раз подтверждена перспективность и эффективность технологического направления и решении проблемы увеличения ресурса оснастки, работающей в экстремальных условиях эксплуатации. Результаты работы применимы к условиям конкретных предприятий, на которых имеются ограничения в выборе технологического оснащения для изготовления бавдажированной оснастки. "По. результатам работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Одной из причин снижения рентабельности алмазного производства на ряде предприятий является недостаточный ресурс аппаратов высокого давления типа наковальни с углублением. <

2. Уменьшение срока службы оснастки происходит из-за снижений нагрузочной способности блок-матриц АВД вследствие их недостаточного „ напряженного состояния, вызываемого погрешностями геометрических параметров деталей, образующих конические соединения с натягом,

3. Наибольшее влияние на снижение нагрузочной способности оказывают отклонения углов уклона, формы и шероховатость поверхностей конических деталей.

4. Появление неприемлемых геометрических погрешностей носит технолог*! ческий характер и связано с недостатками нормирования точности конических элементов но чертежах, отсутствием на предприятиях необходимых средств контроля отклонений формы й углов, дефектами настройки оборудования, несовпадением конструкторских и технологических баз, неточностью установки деталей при их механической обработке и сборке.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. На современном этапе промышленного развития основной тенденцией технического прогресса является технологическое совершенствование производства машин и оборудования. Это определяет постоянный рост использования инструментов из сверхтвердых материалов, в том числе синтетических алмазов. Промышленное изготовление сверхтвердых' материалов отстает от потребностей народного хозяйства, в связи с чем ряд российских предприятий был вынужден организовать у себя алмазное производство. Самым распространенным способом получения алмазов ка отечественных заводах является их спонтанная кристаллизация в расплавах- металлов, которая осуществляется в аппаратах высокого давления (АВД). Технйко-экономические показатели алмазного производства свидетельствуют о его недостаточной конкурентоспособности по сравнешпо с зарубежными фирмами. Одной из возможных причин потерн рентабельности является высокая себестет мость монокристаллических алмазов, в частности, из-за недостаточного срока службы технологической оснастки для синтеза, работающей в условиях экстремальных давлений и температур. Поэтому проблема увеличения ресурса аппаратов высокого давления является весьма актуальной и имеет как практическое, так и научное значение. Конструкторские аспекты этой проблемы рассматривались, в частности, в работах В.Б.Бондаренко, А.М.Боримского, А.В.Герасимовича, М.П.Саврука, а технологические - В.И.Аверченкова, В.В.Надуваева, Э.В.Рыжова и других авторов. Данное исследование посвящено в основном поиску технологических и метрологических решений, позволяющих в условиях конкретного производства добиться экономически приемлемого срока, службы оснастки.

Связь работы с крупными научными программами. Диссертационная - работа выполнялась в соответствии с "Программой работ по инструментальному обеспечению алмазного производства АО "Полема-Тулачермет" в рамках научно-технического проекта "Разработка новых составов и технологий изготовления порошковых и листовых катализаторов для синтеза алмаза с освоением производства высокопрочных марок алмаза и инструмента на их основе" региональной научно-технической программы "Порошковые технологии инструментального производства", тема диссертационной работы связана с госбюджетной НИР ТулГУ № 1895 "Управление качеством механосборочного производства", а также с научными исследованиями по гранту президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ "Прогрессивные технологические процессы формообразования сложных поверхностей и сборки высокоточных изделий".

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы было изыскание возможности повышения долговечности аппаратов высокого давления „ за счет совершенствования технологии механической обработки, ко!ггроля и сборки деталей АВД в условиях конкретных предприятий.

В соответствии, сдтой цель» ставились следующие основные¿аадаян: ' вуЗоуигм аЛмаЯш^^пшибЛстбе " ■

погрешностями их ^Г. М^ли^'оп, А^ников А.С.ТМетрологическне и технологические

и.фодки детален.ЛВД, создать те/л алогическую оснастку, позволяющую

«ва-осна^ищ^де!}?^

^"шяеттайь^тааййй ог-

£В9Я№ рс-

ътжьчжттм* Шь ре-

'!а' кдвеггатЧГш'пкл совешшнствонаншо-гсхнологиа. механической обработки,

° пР°олеме ресурсосбережения г;ри

»вташ«!«!

ги "¿ШЖШ^ТШвлШ и сборки де-

талсИ АНД могут быть исподьзошшы при проектировании и изготовлении б^.ндлжйроианной штамновэн И прессовой оснастки, работающей в экстремальных условиях эксплуатации. Выведенные в Диссертации заипс/шо-сш, позволяющие функционально обоснованно назначать допуски на детали АНД, рекомендации по совершенствованию технологии механической ■ обработки, контроля г. сборки, Технологическая оснастка И метрологическое обеспечение позволяют повысить качество сопрягаемых лоьгрхносте.'; -Цгуоднгчтдашт», ^ЛЙ^ бл^'життдл'^р!(Здх од 1 'Лй;^щек*(№шр<4мтга. осна-^кГГъ'^ ал-

университет. 300600, Тула, просп. 'Леюгаа, 82. Подразделение оперативной «олчгуюфии Тульского государственною уипаср-сы 1 си. З&ОСОв Ту.о, улЛ*олд'..т;, 151.