ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Калафатова Людмила Павлівна

УДК 621.923.1:66/68

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОБРОБКИ ТА ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ВИРОБІВ ІЗ ТЕХНІЧНИХ СТЕКОЛ І СИТАЛІВ

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор

Михайлов Олександр Миколайович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мовшович Олександр Яковлевич,

Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України, м. Харків,

головний інженер;

доктор технічних наук, доцент

Мельниченко Олександр Анатолійович,

Українська інженерно-педагогічна академія Міністерства освіти і науки України, м. Харків,

завідувач кафедри проектування та експлуатації технологічних систем машин;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Філатов Юрій Данилович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа

Відкрите акціонерне товариство “Мотор Січ” Міністерства промислової політики України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться 14 березня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .050.12 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 07 лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток науки і техніки ставить перед сучасним ма-шинобудуванням ряд різноманітних завдань, одним із яких є надійне забезпе-чення технічних характеристик виробів типу конструкцій, які працюють у широ-кому діапазоні температур, при складному поєднанні змінних силових і теплових дій, в агресивних робочих середовищах. Часто умови експлуатації виробів такі, що для їх виготовлення неможливо або нераціонально використовувати метали. Вирішення цього завдання досягається за рахунок розробки і впровадження не-металевих матеріалів, зокрема, технічних стекол і ситалів, які мають комплекс не-обхідних властивостей, при наявності прогресивних технологічних процесів (ТП) їх обробки.

У нинішній час ці матеріали широко використовуються в конструкціях ви-робів електромашинобудування, ядерної енергетики, ракето- й літакобудування, космічної техніки, приладобудування. До виробів такого класу ставляться під-вищені вимоги за точністю механічної обробки та якістю поверхні, що форму-ється (шорсткість не більша, ніж 0,08 - 0,04 мкм і практично повна відсут-ність дефектного шару, що сформувався при обробці). Тому ТП обробки виро-бів включають операції шліфування, на яких відбувається їх формоутворення, фінішні операції доводки або полірування, що забезпечують необхідний рівень шорсткості та мінімальну дефектність поверхневого шару деталі. У комбіновано-дефектних ситалах і стеклах дефектний шар, що залишився, вилучають на опера-ції комбінованого зміцнення, до якої входять хімічне травлення обробленої по-верхні виробу та зміцнення її іонним обміном.

У зв'язку з високими трудоємкістю фінішних операцій, вартістю та еколо-гічною шкідливістю операції зміцнення досягнути високого ступеня ефективно-сті процесу обробки й зниження її собівартості можна шляхом забезпечення мі-німальної дефектності обробленої поверхні в поєднанні з високою продуктивні-стю шліфування. На цей час немає достатньо обгрунтованих технологічних принципів і наукових основ проектування ТП обробки виробів - конструкцій із стекломатеріалів. Тому розробка технологічних основ підвищення ефективності (зниження собівартості) обробки виробів із технічних стекол і ситалів при забез-печенні заданої якості, які здійснюються за рахунок вибору раціональних умов їх обробки, є актуальною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах наукової тематики кафедри “Металорізальні верстати та ін-струменти” Донецького національного технічного університету і базується на результатах ряду проведених науково-дослідних робіт. У період з 1983 по 1993 р.р. - госпдоговірні теми: 3.16.036.03, № ГР 80034586; 13ВН 36.1408.04, № ГР 77034322 і 3.16.036.10, № ГР 80007504. Із 1994 по 2001 р.р. під керівництвом ав-тора дослідження відбувалися в межах таких держбюджетних наукових тем: № ГР 0194U00988890; № ГР 0195U009056; № ГР 0199U001114.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка технологічних ос-нов підвищення ефективності обробки та забезпечення якості виробів із техніч-них стекол і ситалів шляхом обгрунтування раціональних умов їх обробки (схем і режимів шліфування, характеристик різальних інструментів, властивостей техно-логічних середовищ, послідовності обробки).

Задачі дослідження:

1.

2.

3.

4. Розкриття особливостей розвитку дефектного шару в оброблюваному матеріалі при варіації рівня вхідних технологічних параметрів процесу різання за допомогою комп'ютерно-математичного моделювання напружено-деформова-ного стану оброблюваного виробу.

5. Теоретичне обгрунтування можливості направленої зміни фізико-меха-нічних властивостей оброблюваного матеріалу (його знеміцнення) під впливом поверхнево-активних технологічних середовищ із заданими властивостями. Роз-робка рекомендацій щодо використання комплексу середовищ, які забезпечують формування необхідних якісних показників поверхневого шару виробів, що об-роблюються, на різних операціях.

6.

7. Обгрунтування вихідних положень проектування раціональних технологічних процесів механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів, які забезпечують мінімальну вартість їх обробки; розробка технічних рекоменда-цій обробки виробів.

Об’єкт дослідження - технологія механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів.

Предмет дослідження - закономірності формування і методи керування дефектністю оброблюваних поверхонь виробів із технічних стекол і ситалів за рахунок зміни вхідних параметрів технологічних процесів обробки з метою під-вищення її ефективності.

Методи досліджень. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення і опису дослідного об’єкту, насамперед технології виробництва ви-робів типу конструкцій із технічних стекол і ситалів, процесів контактної взаємо-дії ріжучого інструменту з оброблюємим матеріалом, закономірностей форму-вання і розвитку дефектного шару під час обробки з урахуванням впливу техно-логічних параметрів на енергоємкість процесу різання.

Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорій техно-логії машинобудування, крихких руйнацій і дефектоутворення, імовірнісной ме-ханіки руйнації деформованого твердого тіла; сучасних методах теорії імовірно-сті, математичного аналізу та математичного моделювання, технологічного за-безпечення точності та якості параметрів виробів. Під час дослідження моделей напружено-деформованого стану зони різання, утворення і розвитку дефектного шару в матеріалах на основі скла використовувалися методи кінцевих і гранич-них елементів із реалізацією їх на ЕОМ і наступною оцінкою одержаних результа-тів за допомогою спеціально розроблених програм візуалізації зони деформації об’єкту.

Експериментальні дослідження проводяться з використанням фізичного моделювання, математичного планування експериментів, дисперсійного і коре-ляційного аналізів, широким використанням обчислюючої техніки.

При виконанні роботи застосовували сучасні методи оцінки параметрів стану поверхневого шару матеріалів і деталей, зокрема люмінесцентну дефекто-скопію у сукупності з прецизійним хімічним травленням поверхні зразків і вико-ристанням для обрахування результатів досліджень оригінальної методики авто-матизованої оцінки дефектності.

Наукова новизна одержаних результатів

1.

2. Вперше розроблена математична модель розвитку дефектності виробів під час їх абразивної обробки, яка враховує характеристики міцності оброблю-ваного матеріалу (ОМ), основні експлуатаційно-технологічні параметри інстру-менту, насамперед його зернистість, і технологічну спадковість.

3.

4. Теоретично на базі розроблених математичних моделей розвитку дефек-тності обгрунтовані шляхи і способи керування глибиною проникнення і струк-турою дефектного шару, що утворюється на операціях абразивної обробки виробів із технічних стекол і ситалів, за рахунок використання поверхнево-акти-вних технологічних середовищ із заданими властивостями, які змінюють фізико-механічні характеристики ОМ і полегшують процеси його диспергування під час різання.

5. Розроблений метод розрахунку раціональних міжопераційних припусків, який додатково враховує механізм трансформації дефектного шару під час бага-тоетапної обробки виробів із технічних стекол і ситалів і дозволяє обумовити мі-німальну вартість їх обробки.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблена експериментальна методика автоматизованого розрахунку параметрів дефектності порушеного обробкою шару, що дозволяє достовірно оцінити ступінь впливу на його розвиток технологічних параметрів процесу об-робки.

2. Розроблена методика розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) оброблюваного матеріалу в зоні різання, що дозволяє оцінити імовірність руйнування матеріалу при його контакті з інструментом з урахуванням варіації рівня вхідних технологічних параметрів процесу обробки. Методика використо-вується при комп'ютерному моделюванні раціональних технологічних процесів обробки виробів із технічних стекол і ситалів і забезпечує мінімальну технологі-чну собівартість обробки.

3. Розроблені рекомендації щодо використання комплексу технологіч-них середовищ, які знижують енергоємкість процесів диспергування припуску на всіх стадіях обробки виробів із технічних стекол і ситалів і забезпечують фор-мування потрібних якісних показників їх поверхневого шару.

4. Сформована база даних щодо зміни характеристик дефектності повер-хні виробів із технічних стекол і ситалів під час варіації умов механічної обробки, яка використовується для проектування раціональних ТП їх обробки. На основі комплексу досліджень розроблені рекомендації щодо організації ефективних ТП обробки виробів із технічних стекол і ситалів.

5. Результати досліджень використовувались під час впровадження на підприємствах машинобудування і склообробки ТП механічної обробки спеціа-льних виробів із технічних стекол і ситалів, світлотехнічних виробів із технічного скла. Впровадження результатів роботи на ВО “Автоскло” забезпечило одер-жання реального економічного ефекту 75 тис. крб. на річну програму випуску виробів (у цінах 1991 р.). Розрахунковий економічний ефект від впровадження рекомендацій щодо організації ТП обробки виробів із ситалів на дослідному під-приємстві НДІ “Ізотерм”, м. Брянськ, Росія склав 2500 крб. на один виріб (у ці-нах 2001 р.).

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експерименталь-них досліджень, що виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно. Ав-тор виконав наукові розробки в галузі технології машинобудування, які пов'язані з вирішенням важливої науково-прикладної проблеми - підвищення ефективності (зниження собівартості) механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів при забезпеченні їх високої якості. Постановка задач і обговорення наукових ре-зультатів виконані разом із науковим консультантом і частково із співавторами публікацій. Достовірність наукових результатів підтверджується великим обся-гом експериментальних досліджень, які виконані з використанням сучасних ме-тодик, обладнання та апаратури.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисерта-ційної роботи повідомлені та обговорені на таких конференціях і семінарах: Все-союзних науково-технічних конференціях (НТК) “Конструкція і технологія одержання виробів із неметалевих матеріалів” (Обнінськ, НВО “Технологія”, 1984, 1988, 1990); Всесоюзній НТК “Інтенсифікація технологічних процесів меха-нічної обробки” (Ленінград, ЛПІ, 1986); зональній НТК “Проблеми проекту-вання і діагностики в автоматизованих виробництвах машинобудування” (Ярославль, 1986); Всесоюзному науково-технічному семінарі (НТС) “Проблеми міцності скла і склокристалічних матеріалів” (Костянтинівка, НДІ Автоскло, 1991); НТК “Ресурсо- та енергозберігаючі технології у машинобудуванні” (Одеса, ОДПУ, 1994); НТК “Нові технології та системи обробки в машинобуду-ванні” (Донецьк, ДонДТУ, 1994); Міжнародній НТК “Прогресивна техніка і тех-нології машинобудування” (Севастополь, ДонДТУ, 1994, 1995); НТК “Надійність різального інструменту і оптимізація технологічних систем” (Краматорськ, ДДМА, 1995); Міжнародній НТК “Енерго- та ресурсозберігаючі технології у ви-робництві скла” (Костянтинівка, УкрДІС, 1995); Міжнародному НТС “Високі технології в машинобудуванні” (Харків, ХДТУ, 1995-2000); Міжнародній НТК “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” (Лу-ганськ, ВДУ, 1996); Міжнародній НТК “Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес” (Севастополь, ДонДТУ, 1996, 1997); Міжнародній НТК “Машинобудування і техносфера на рубежі ХХI сторіччя” (Севастополь, Дон-ДТУ, 1998-2001); Міжнародній НТК “Прогресивна техніка і технологія машино-будування, приладобудування та зварювального виробництва” (Київ, НТУ “КПІ”, 1998); Міжнародній НТК “Проблеми підвищення якості машин” (Брянськ, БДТУ, 1998, 2001); Міжнародній НТК “Tehnologii Moderrne Calitate Restructurate” (Chisinau, Moldove, 1999); Міжнародному конгресі “Second International Congress Mechanical Engineering Technologies’99” (Sofia, Bulgaria, 1999); Міжнародній НТК “Modern Technologies, Quality, Restructuring” (Jassy, Rumania, 2000), Міжнародній НТК “Надтверді інструментальні матеріали на ру-біжі тисячоліть: одержання, властивості, використання” (Київ, ІНТМ НАНУ, 2001).

Дисертація докладалась і отримала позитивну оцінку на розширеному засі-данні науково-технічного семінару відділу технологічного керування якостю об-робки поверхонь Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, 2001 р., на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” Донецького націо-нального технічного університету, 2001 р. і на кафедрі “Технологія машинобуду-вання” Національного технічного університету “ХПІ”, 2001 р.

Публікації. Основні положення дисертації відображені в 58 наукових пра-цях, серед яких 27 наукових статей у спеціальних виданнях, розділ в енциклопе-дії з машинобудування, 3 авторських свідоцтва на винахід, 9 статей за матеріалами конференцій, 18 тез доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація у 2-х томах складається із вступу, семи розділів і 15 додатків (окремим томом). Повний обсяг дисертації 515 сторі-нок, у тому числі 37 ілюстрацій по тексту, 27 ілюстрацій на 27 стор., 26 таблиць по тексту, 5 таблиць на 7 стор., 15 додатків на 74 стор., 268 використаних літературних джерел на 27 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, викла-даються положення, які виносяться здобувачем на захист, теоретична та практи-чна цінність одержаних результатів досліджень, рівень реалізації та впровадження наукових розробок.

У першому розділі виконаний детальний аналіз сучасного стану і шляхів удосконалення ТП механічної обробки виробів із матеріалів на основі скла, в тому числі, з технічних стекол і ситалів. Показано, що сучасні дослідження є ло-гічним продовженням робіт таких вчених, як: Альтшулер В.М., Апанасенко В.І., Ардамацький А.Л., Ашкеров Ю.В., Бокін П.Я., Бурман Л.Л., Бурмістров В.В., Ваксер Д.Б., Винокуров В.М., Грабченко А.І., Єрьоміна Л.І., Качалов Н.Н., Мас-лов В.П., Нікітков Н.В., Попов С.О., Прохорчик С.М., Рогов В.В., Узунян М.Д., Філатов Ю.Д., Хайт О.Д., Хрульков В.А., Цеснек Л.С., Щукін Є.Д., Еда Н. та ін., які зробили внесок у вирішення завдання підвищення якості та ефективності об-робки крихких неметалевих матеріалів.

Аналіз літератури показує, що проведені дослідження і видані рекомендації в основному відносяться до обробки виробів із оптичних стекол, ситалів і крис-талів, які застосовуються у приладобудуванні, а також художніх стекол і криш-талю, тобто до тих матеріалів, що не належать до категорії конструкційних і не експлуатуються в умовах екстремальних силових і температурних навантажень, які потребують підвищених характеристик міцності виробів. На відміну від конс-трукцій, ці вироби мають невеликі розміри, достатньо прості геометричні форми, що спрощує одержання точних заготовок і знижує величину припуску на механі-чну обробку. Тому спрямованість більшості досліджень пов'язана з вивченням процесів напівчистового, чистового шліфування, полірування або доводки. Від-мітною особливістю процесів абразивної обробки в цих умовах є достатньо прості з точки зору кінематики схеми взаємодії інструменту і деталі, легкі ре-жими різання, використання абразивних порошків або інструментів дрібної зер-нистості з більш низькими характеристиками міцності ріжучих зерен. Усе це сприяє одержанню сприятливої картини розвитку дефектного шару під час рі-зання.

Розглянуті умови не співпадають із тими, в яких ведеться обробка велико-габаритних виробів із технічних стекол і ситалів, які являють собою конструкції складної просторової форми. Одержання високої якості поверхні і точності в цьому випадку вкрай ускладнене через низьку оброблюваність матеріалів і відрі-зняється значною трудоємкістю, великими непродуктивними витратами енергії та інструменту. Причиною цього є: недостатня повнота знань про механізми руйнування припуску під час різання матеріалів, які розглядаються, у напруже-них умовах; відсутність наукового системного обгрунтування залежності дефек-тності поверхневого шару виробів від вхідних технологічних параметрів процесу обробки і властивостей ОМ, які визначають рівень силового впливу на повер-хню, що формується; низька ефективність прийнятих способів обробки та орга-нізації ТП одержання виробів.

Систематизація та узагальнення результатів проведених досліджень дозво-ляють зробити висновок, що дефектність поверхні, що формується, а, отже, і трудоємкість обробки виробів із технічних стекол і ситалів, залежать від рівня силового впливу на ОМ при його диспергуванні, тобто від енергоємкості про-цесу різання. У свою чергу, енергоємкість визначається двома категоріями фак-торів: фізико-механічними властивостями ОМ (міцністю, твердістю, крихкістю, вхідною дефектністю, видом та особливостями попередньої обробки); техноло-гічними параметрами процесу обробки (схемою і режимом різання, технологіч-ними та експлуатаційними характеристиками застосовуваного інструменту, властивостями технологічних середовищ), що повинно впливати на параметри дефектності поверхні, яка формується.

Однак із цієї точки зору проблема практично не досліджена. Відстуні до-стовірні відомості про глибину і структуру порушеного обробкою шару і вплив на параметри дефектності технологічних факторів процесів механічної обробки. Найбільше число робіт пов'язане з вивченням впливу зернистості абразиву на глибину дефектного шару без розгляду фізичних явищ, які супроводжують ви-никнення і розвиток дефектного шару в ОМ. Достовірність відомостей, одержа-них про параметри дефектності, залежить від застосованих методів досліджень поверхневого шару матеріалу. Існуючі методики оцінки параметрів порушеного шару не дозволяють достатньо просто, дешево та об'єктивно оцінити розміри, густину і спрямованість дефектів на різних рівнях залягання у відношенні до об-робленої поверхні для різноманітних умов обробки.

Практично відстуні дослідження, присвячені розробці теоретичних зако-номірностей утворення дефектності поверхні, що формується при взаємодії ОМ із абразивним інструментом. Більшість із них носить емпіричний, прикладний характер, що не дозволяє прогнозувати забезпечення необхідних якісних харак-теристик поверхні, яка формується, при зміні умов шліфування і використати отримані дані для розрахунку міжопераційних припусків. Недосконалі і самі ме-тоди розрахунку припусків, які не враховують трансформацію дефектного шару під час обробки. Обмежені відомості про вплив технологічних середовищ різної природи і ступеня активності у відношенні до ОМ на зміну глибини і структури дефектного шару, який виникає при різних видах механічної обробки скломате-ріалів. Відстуні методики, які дозволяють достовірно моделювати розвиток де-фектного шару, орієнтуючись на рівень НДС зони різання, який залежить від технологічних факторів процесів механічної обробки виробів, що могло б слу-жити основою для проектування раціональних ТП їх обробки.

Таким чином, досить актуальним є проведення комплексних наукових до-сліджень, які б дозволили розробити технологічні основи підвищення ефектив-ності обробки і забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів за рахунок вибору раціональних умов обробки, що забезпечують мінімальний рівень силового впливу на поверхню, що формується, з урахуванням технологіч-ної спадковості.

У другому розділі викладена загальна методологія роботи, яка базується на тому, що технологія виготовлення виробів типу конструкцій із технічних сте-кол і ситалів може бути віднесена до складних ієрархічних систем.

На рис. 1 подана система технологічних перетворень під час виготов-лення виробів від стадії одержання заготовки , її механічної обробки , і до операції зміцнення виробу . Систему технологічних перетворень можна уявити у вигляді

= = , (1)

де , , - елементи множини відповідно: матеріальних (заготовки, ін-струменти, пристрої і т.ін.), энергетичних та інформаційних потоків, що викори-стовуються під час кожного з технологічних перетворень.

Вирішення завдання підвищення ефективності технологічних перетво-рень передбачає комплексне управління системою на всіх етапах їх реалізації за рахунок використання критерію, в якості якого прийнятий рівень технологічної собівартості виробу . Найбільш відповідальними і трудоємкими, що максима-льно впливають на зміну , є етапи механічної обробки, які в сукупності наве-дені як комплекс технологічних дій . Вони включають виконання ряду операцій, у тому числі попереднього та остаточного формоутворень шліфуванням, а також фінішної обробки (алмазної притирки або поліру-вання).

Застосування фінішних операцій не гарантує забезпечення відсутності дефектного шару, зумовленого обробкою, у поверхневому шарі виробу. Тому весь дефектний шар глибиною повинен бути усунений на заключній стадії технологічних дій шляхом реалізації дорогих та екологічно шкідливих опера-цій хімічного травлення та іонного зміцнення виробів, трудоємкість яких визначається глибиною і структурою дефектного шару.

Технологічна собівартість одержання готової деталі складається із собівартості заготовки , механічної обробки , зміцнення виробу

. (2)

Вважаємо, що для всіх варіантів виробництва є постійною.

Експерименти проводилися у напрямках: визначення якості обробленої поверхні з параметрів шорсткості і дефектності порушеного обробкою шару; встановлення впливу вхідних параметрів ТП обробки на силові характеристики процесу різання, мікрогеометрію і дефектність поверхні, що формується; вибору раціональних технологічних середовищ (ТС) з оцінкою їх фізико-хімічних і тех-нологічних властивостей.

Для експериментальної перевірки теоретичних передумов та оцінки сту-пеня впливу технологічних параметрів процесу обробки на дефектність поверхні, що формується, розроблена оригінальна методика автоматизованої оцінки і роз-рахунків параметрів дефектності порушеного обробкою шару, яка базується на методі капілярної люмінесцентної дефектоскопії у поєднанні з пошаровим хіміч-ним травленням зразків. Апаратно-програмний комплекс дозволяє на мікрофо-тографіях дефектної поверхні оброблюваних зразків автоматично виділити області дефектів і розрахувати їх усереднені та інтегральні характеристики, вста-новити математичні залежності параметрів дефектності від змінюваних техноло-гічних характеристик процесу обробки. Методика, що пропонується, дозволяє отримати дійсну картину порушеного шару на різних рівнях заглиблення, вияв-ляючи дефекти довжиною від 0,1 мм до 1 мкм.

У третьому розділі розглянуті питання розробки математичної моделі фо-рмування дефектного шару під час взаємодії ОМ з абразивним інструментом, яка необхідна для вирішення завдання, пов’язаного з пошуком раціональних параме-трів ТП механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів, які забезпечу-ють мінімальний рівень дефектності.

Імовірність утворення дефекту (тріщини) в конкретній зоні передруйну-вання оброблюваної поверхні, причиною якого може служити вже існуючий де-фект, визначається імовірністю події, при якій напруження , що виникає під час різання, буде не меншим від границі міцності ОМ -

=. (4)

Тоді число дефектів на одиниці обробленої поверхні визначиться як

=, (5)

де - число одиничних дефектів (зон передруйнування).

Для визначення імовірності утворення тріщини необхідно знати закони розподілу напружень в ОМ у його вихідному стані і під час різання. Закон роз-поділу граничного (руйнуючого) напруження визначається експеримента-льно і характеризується функцією розподілу і щільністю імовірності . Закон (функція) розподілу напружень в ОМ від зусиль різання (під дією ін-струменту) і щільність розподілу імовірностей цих напружень повинні бути знайдені аналітично.

Імовірність дефектоутворення може бути знайдена завдяки використанню наближеного способу розрахунку Н. С. Стрелецького як площа фігури, утворе-ної перетинанням кривих, що описують диференціальні функції розподілу і (рис. 2).

. (10)

Для визначення величини розв’язувалось рівняння

= . (11)

Знаючи і використовуючи рівняння (5), можна визначити число дефек-тів на одиниці обробленої поверхні, тобто з'ясувати ступінь впливу умов шліфу-вання на дефектність.

Рис. 2. Диференціальні функції розподілу (1) і (2).

Для конкретних умов алмазного шліфування ситалів досліджена імовірність розвитку дефектності обробленої поверхні залежно від характеристик різального інструменту: геометричних, міцнісних і розмірних параметрів алмазних зерен; концентрації кругів; виду зв’язки, а також від фізико - механічних характеристик ОМ - первинних, а також зумовлених станом поверхні зразків, які випробову-ються (наявністю або відсутністю попередньої обробки), ступенем активності технологічного середовища, що застосовується під час шліфування. Аналіз ре-зультатів розрахунків дозволив зробити висновок, що практично повсюдно про-стежується залежність інтенсивності дефектоутворення від рівня НДС ОМ під час різання, який приблизно може бути оцінений величиною питомого наванта-ження на окремі зерна круга при шліфуванні. З характеристик алмазного інстру-менту, що досліджувалися, найбільш впливає на процес дефектоутворення його зернистість (рис. 3).

Зменшення зернистості супроводжується зниженням питомого наванта-ження на зерно і меншою імовірністю розвитку дефектного шару. Отже, застосу-вання крупнозернистого інструменту при обробці крихких матеріалів доцільно на операціях чорнового шліфування за умови, що створений розвинутий дефект-ний шар буде усунений на наступних напівчистових і чистових операціях, що ви-конуються кругами більш дрібної зернистості.

Рис. 3. Вплив зернистості інструменту на імовірність дефектоутворення. Шліфування ситалу АС-418 кругом 12 А2-45о 125х50х20х2,5 АС6 - 4 - М2-01 із зе-рнистістю: 1 - 80/63; 2 - 100/80; 3 - 125/100; 4 - 250/200

На рис. 4 наведені дані про зміну імовірності дефектоутворення залежно від заглиблення зерен круга в ОМ при різному стані поверхні зразків, зумовленому видом попередньої обробки - технологічною спадковістю.

Рис. 4. Вплив стану поверхні оброблюваного матеріалу на імовірність де-фектоутворення при шліфуванні кругом 12 А2-45о 125х50х20х2,5 АС6 125/100- 4 - М2-01 ситалу АС-418 в умовах: 1- відсутності попередньої обробки; 2 і 3 - попе-реднє шліфування відповідно кругами зернистості 160/125 і 250/200

Знеміцнення поверхневого шару ОМ попередньою обробкою (попереднє шліфування кругами зернистості 160/125 і 250/200) відповідно в 1,3 і 1,9 рази за рівнем забезпечує зниження імовірності розвитку дефектного шару (див. рис. 4, криві 2, 3) порівняно з варіантом обробки похідного матеріалу (див рис. 4, крива 1). З метою підвищення ефективності процесу шліфування можна рекомендувати таку послідовність обробки: застосування крупнозернистого ін-струменту на операціях чорнової обробки, вилучення основного припуску та попередня підготовка поверхні до наступних чистових операцій; послідовне зме-ншення зернистості інструменту в міру наближення до остаточної стадії обро-бки.

Відповідно до розробленої математичної моделі формування дефектності під час шліфування виконаний теоретичний розрахунок числа дефектів на одиниці обробленої поверхні ситалів в умовах вільного різання. Встановлена адекватність запропонованої теоретичної моделі дефектоутворення реальним умовам з урахуванням допущень, прийнятих при моделюванні. Запропонований метод розрахунку дефектності може бути використаний на практиці для визна-чення раціональних умов процесу шліфування крихких неметалевих матеріалів.

У четвертому розділі наведені результати розробки методики прогнозу-вання інтенсивності розвитку дефектного шару під час шліфування матеріалів на основі скла, яка базується на дослідженні комп'ютерно-математичних моделей НДС зони різання. Виконаними теоретичними та експериментальними дослі-дженнями підтверджена залежність інтенсивності розвитку дефектного шару при обробці скломатеріалів від рівня НДС зони різання. З метою підвищення ефекти-вності проектування раціональних ТП механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів створено засіб моделювання НДС, що враховує комплексну за-лежність між вхідними параметрами процесу шліфування, рівнем силової дії на оброблювану поверхню і, як наслідок, дозволяє прогнозувати інтенсивність роз-витку дефектності поверхневого шару виробів.

Розроблені комп'ютерно-математичні моделі НДС виробів - зразків під час їх шліфування, які засновуються на методах кінцевих елементів (МКЕ) і гранич-них елементів (МГЕ). При розробці моделей використані положення імовірност-ной механіки зруйнування, а також враховані фактори процесу шліфування, що зумовлюють зміну рівня силового впливу на ОМ.

Виконані дослідження і визначені відносні оцінки НДС зони різання в умо-вах моделювання процесу шліфування на його різних стадіях - від вивчення руй-нування ОМ одиничним зерном-індентором (плоска задача) до дослідження цього процесу при взаємодії тривимірного зразка з абразивним інструментом під час реалізації конкретних схем обробки.

При моделюванні МКЕ зони контакту одиничного зерна з ОМ встанов-лено, що зміна напрямку дії результуючої сили різання при однакових її значен-нях відбивається на глибині, розмірах і конфігурації зон руйнування, викликаних різними видами напружень, а також на характері поведінки початкових дефектів структури матеріалу. Так, у випадку дії лише нормальної складової сили різання глибина проникнення тріщин, обумовлених дією критичних стискаючих напру-жень, у 1,25 разів вища, ніж для варіанта із співвідношенням сил =6,0. Обидві зони руйнування розміщені симетрично у відношенні до діючого навантаження (див. рис. 5, а). Елементи, в яких відбувається зруйнування під час різання, на рисунках заштриховані.

Розвиток дефектів структури ситалу відбувається здебільшого за рахунок напружень зсуву (дефекти типу 1), розкриття тріщин практично відстунє. Вве-дення тангенціальної складової сили різання (див. рис. 5, б) призводить до перерозподілу напружень в елементах поблизу від місця прикладання наванта-ження: відбувається розворот і втрата симетричності зони кільцевої тріщини - збільшення її довжини в сторону дії . При цій схемі різання збільшується час-тка дефектів, які розкриваються під дією деформації розтягу (дефекти типу 2), що знижує енерговитрати на процес різання, зменшуючи глибину проникнення дефектного шару.

Моделювання НДС зони різання при реалізації різних схем шліфування здійснювалося в два етапи. Перший етап пов'язаний із розв’язанням задачі теорії пружності для ізотропного, бездефектного тривимірного зразка з метою при-близної оцінки напружень, які виникають в ньому. Вплив початкової дефектно-сті матеріалу зразка на одержаний розв’язок враховується за допомогою його фізико-механічних характеристик. Розв’язування задачі здійснювалося МКЕ із застосуванням ітераційного методу підконструкцій із трирівневою послідовністю сіток.

На другому етапі розв’язувалась імовірнісна задача механіки руйнування для визначення ризику зруйнування або імовірності зруйнування різних зон зра-зка, зосереджених поблизу області контакту його з ріжучим інструментом. За зміною рівня ризику зруйнування у приповерхневому шарі зразка під час різання можна судити про імовірність порушення суцільності ОМ і розвитку дефектного шару.

Оцінка напруженого стану зразків здійснювалася за допомогою теорії міц-ності Мора за значеннями еквівалентних напружень . На рис. 7 подані гра-фіки зміни залежно від глибини залягання (відносно координати ), які свідчать про суттєвий вплив способу прикладання навантаження, тобто схеми шліфування. Найбільш несприятливою з точки зору розподілу напружень в об'-ємі зразка є схема “а”. Враховуючи, що рівень напруженого стану ОМ визначає глибину проникнення дефектного шару , можна вивести, що значення буде збільшуватися в міру розвороту результуючої сили різання від нормалі відно-сно поверхні припуску до нормалі відносно оброблюваної поверхні (перехід від схеми “в” до схеми “а”). Причому ця тенденція буде посилюватися із зростан-ням зусиль різання, що фізично може залежати, наприклад, від інтенсивності ре-жимів обробки, ступеня зносу інструменту.

Рис. 6. Схеми дискретизації зразків на першому рівні при реалізації таких схем плоского шліфування: а) - торцевого; б) - периферією круга; в) - торцевого з по-перечною подачею круга

Рис. 7. Зміна величини еквівалентних напружень залежно від глибини заля-гання при моделюванні таких схем плоского шліфування зразків ситалу: а) - тор-цевого; б) -периферієй круга; в) - торцевого з поперечною подачею круга

Як показали результати моделювання різних схем плоского шліфування, спосіб прикладання навантаження, його напрям суттєво впливають на енергоєм-кість процесу диспергування припуску. Встановлено, що найбільш раціональ-ними з точки зору зменшення розвинутості дефектного шару і підвищення за рахунок цього експлуатаційних характеристик виробу є умови шліфування, які забезпечують розворот результуючої сили різання у припуск, що видаляється, і зменшення рівня сили.

Запропоновані способи моделювання НДС зони шліфування і, як наслідок, прогнозування інтенсивності розвитку дефектного шару при різанні були апро-бувані для умов експлуатації різних схем внут-рішнього шліфування тонкостінних великогабаритних виробів складної просторової форми з ситалів – раніш розробленої раціональної схеми шліфування і схеми, яка традиційно застосовувалась на виробництві. Було встановлено, що розроблена схема шліфування, яка відрізняється максимальною спрямованістю сили різання у матеріал припуску, який видаля-ється, порівняно із схемою, що застосовувалася на виробництві, дозволила в 1,3 - 1,4 разу знизити рівень НДС зони обробки. За рахунок зменшення силового впливу на поверхню, що формується, пропорційно (в середньому в 1,35 разу за довжиною виробу) зменшилася глибина проникнення дефектного шару. Останнє підтверджує відповідність розрахункової моделі реальним умовам. Сформований дефектний шар відрізняють такі характеристики: на 25% знижуються розміри де-фектів у поверхневому шарі виробу у сукупності з підвищенням в 1,9 разу одно-рідності структури дефектності за довжиною деталі. Наслідком цього стало збільшення середньої міцності виробу на 20%.

Таким чином, можна зробити висновок, що використання розробленого способу компютерного моделювання напружено-деформованого стану зони різання допоможе знизити витрати на процес проектування раціональних технологічних процесів обробки виробів із матеріалів на основі скла, в тому числі за рахунок обгрунтування вибору схеми шліфування.

У п’ятому розділі розглядаються питання комплексного підвищення ефе-ктивності механічної обробки матеріалів на основі скла за рахунок застосування поверхнево-активних середовищ направленої дії, які змінюють характеристики міцності оброблюваного матеріалу і зменшують енергетичні витрати на його диспергування.

Для технічних стекол і ситалів, речовин крихких, сила різання на відміну від обробки пластичних матеріалів визначається опором матеріалу сколюванню (крихкому зсуву) у площині максимальних напружень зсуву. Сила, що здійс-нює зсув матеріалу під час різання, визначає рівень як тангенціальної, так і нормальної складових сили різання, впливаючи як на енергоємкість процесу різання (відповідальна ), так і на силовий вплив на оброблювану поверхню, який призводить до розвитку дефектного шару (відповідальна ).

При інших рівних умовах ці параметри зале-жать від значення питомої поверхневої енергії твердого тіла або від величини його вільної поверхневої енергії при утворенні нових поверхонь. Введення в зону диспергування твердих тіл поверхнево-активних технологічних середовищ супроводжується зни-женням їх вільної поверхневої енергії за рахунок адсорбційних взаємодій атомів середовища і тіла, що деформується, які відбуваються на поверхні, що формується, тобто, до відповідної зміни його міцнісних властивостей. Для крихких матеріалів це насамперед призводить до пропорційного зменшення мікротвердості стекол і ситалів. Описані явища пов'язані з проявом адсорбційного ефекту зниження міцності твердих тіл.

Розроблені комп'ютерно-математичні моделі дефектності поверхні, що фо-рмується, дозволяють досліджувати вплив ТС різного ступеня активності на енергоємкість процесів диспергування ОМ під час різання і прогнозувати розви-ток дефектного шару. Це дасть можливість на етапі попереднього проектування ТП виробництва виробів із технічних стекол і ситалів формулювати вимоги до властивостей ТС, що використовуються на різних операціях обробки.

Враховуючи результати теоретичних досліджень, запропоновані ТС для операцій лезової обробки (а. с. № 1331053), шліфування та полірування технічних стекол і кришталю (а.с. № 1654319), алмазного шліфування технічних ситалів. Середовища являють собою водні розчини синтетичних миючих засобів, які є активними ПАВ, що забезпечує їх підвищений вплив на матеріал припуску, зни-жує енергоємкість процесу різання, покращує якість обробки. Названі середо-вища відрізняє простота виготовлення, гігієнічність, низька вартість.

Запропоновані ТС порівняно з кращими складами, які рекомендуються в літературі (наприклад, емульсоли ЕМУС, НГЛ-205 та ін.) дозволяють на опера-ціях попереднього формоутворення виробів із технічних стекол і ситалів (то-чіння, чорнове шліфування) знизити енергоємкість процесу різання до 40%, сприятливо змінивши глибину і структуру дефектного шару, який виникає в ре-зультаті обробки. Загальна глибина проникнення дефектів (обробка стекол і кришталю) зменшується практично вдвічі при зниженні середніх розмірів одини-чних дефектів в 1,6 - 2,2 разу; під час обробки технічних ситалів зниження розмі-рів дефектів досягає 4 - 10 разів (рис. 8).

Знеміцнюючи ОМ, поверхнево-активні ТС поліпшують умови роботи для абразивного інструменту, зменшуючи його знос. Застосування під час шліфу-вання рекомендованої СОЖ П2 у порівнянні з використанням води дозволяє скоротити число правок та об’ємний знос кругів до 1,5 разу.

Розроблений спосіб приготування полірувальної суспензії, якій притаманні підвищені технологічні та експлуатаційні властивості, дозволяє в 1,15 - 1,25 разу підвищити її поліруючу спроможність у порівнянні з кращим із використованих раніше варіантів. Це дозволило у виробничих умовах скоротити час полірування великогабаритних світлотехнічних виробів складної форми з технічного скла на 30%, що, залежно від розмірів виробу, складає від 3 до 36 годин.

У шостому розділі наведені результати експериментів, які підтверджують достовірність розроблених математичних моделей розвитку дефектності.

Виконані експериментальні дослідження підтвердили основне теоретичне положення роботи про першорядний вплив на структуру і глибину дефектного шару зусиль різання і рівня напружено-деформованого стану ОМ, які, в свою чергу, залежать від вхідних технологічних параметрів процесу обробки.

Результати експериментів, проведених при реалізації пружної схеми торце-вого врізного шліфування стекол і ситалів, свідчать про правомірність висновків, зроблених на основі використання розробленої математичної моделі форму-вання дефектності. А саме, технологічні фактори, що підвищують енергоємкість процесів диспергування ОМ у зоні різання, ініціюють несприятливий розвиток дефектного шару.

Рис.8. Мікрофо-тографії дефект-ності зразків ситалу АС-418 на глибині заля-гання = 40 мкм. Об-робка за схемою торцевого шліфу-вання кругом АС6 зернистості 125/100 із тиском в зоні обробки: I - = 0,6 МПа; II - = 0,8 МПа у випробуваних середовищах: 1 - СОЖ П2; 2 - 5 %-го водного роз-чину емульсолу НГЛ-205. Збіль-шення в 75 разів.

До таких факторів можна віднести підвищення номінального тиску в зоні різання; збільшення зернистості алмазних кругів; низький рівень ріжучої спро-можності інструменту. Так, при обробці ситалу збільшення номінального тиску на зразок у чотири рази супроводжується зростанням розмірів одиничних дефе-ктів у 2,5 разу. Використання кругов зернистості 250/200 у порівнянні з кругами зернистості 100/80 призводить до збільшення розмірів дефектів в 2,4 разу та гли-бини дефектного шару в 1,6 разу. Застосування розробленого способу правки кругів вільним абразивом (а. с. № 1839393), що забезпечує збі-льшення розвину-тості мікропрофілю інструменту в 1,5 раза у порівнянні з прав-кою абразивними брусками, дозволяє через більш сприятливий перерозподіл тиску на