ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Молчанов Олександр Дмитрович
УДК 621.923
ФОРМУВАННЯ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ВИРОБІВ ІЗ ОКСИДНОЇ КЕРАМІКИ ПРИ АЛМАЗНОМУ ШЛІФУВАННІ
Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк - 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник
кандидат технічних наук, доцент Гусєв Володимир Владиленович,
Донецький державний технічний університет, докторант кафедри “Металорізальні верстати та інструменти”
Офіційні опоненти:
- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Філатов Юрій Данилович, Інститут надтвердих матеріалів НАН України, м. Київ, ведучий науковий співробітник відділу “Породоруйнуючого і каменеоброблювального інструмента”;
- кандидат технічних наук, доцент Федорович Володимир Олексійович,
Національний технічний університет “ХПІ”, м.Харків, доцент кафедри “Різання матеріалів і ріжучий інструмент”.
Провідна установа:
Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, кафедра “Металорізальні верстати й інструменти”, м. Краматорськ
Захист відбудеться “14” червня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.04 Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ДонДТУ, 6-ий навчальний корпус, ауд. 202.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету (м. Донецьк, вул. Артема 58, 2-ий навчальний корпус)
Автореферат розісланий “7” травня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент Івченко Т.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Основні показники машин і механізмів - надійність і коефіцієнт корисної дії значною мірою визначаються експлуатаційними властивостями деталей і з'єднань: зносостійкістю, коефіцієнтом тертя, межею витривалості, корозійною стійкістю і деякими іншими. У той же час, експлуатаційні властивості задаються станом поверхневого шару деталей, що формується на стадії механічної обробки.
Проведені раніше дослідження і відображені в роботах таких відомих українських і російських учених як Е.В. Рижов, А.Г. Суслов, В.С. Комбалов, Б.І. Костецький, Н.Б. Демкін, А.М. Суліма та ін., представили основні положення по науково обгрунтованому вибору, призначенню і технологічному забезпеченню системи параметрів стану поверхневого шару металів, що комплексно характеризують експлуатаційні властивості деталей машин. Для кераміки на основі оксиду алюмінію стан справ інший. Існуючі дослідження не носять комплексний характер і не відображають рішення проблеми в цілому.
Найбільш важливим параметром якості поверхневого шару, що має вплив на тріботехнічні характеристики, є шорсткість, що задається на стадії механічної обробки. Розроблені теоретичні моделі формування шорсткості при алмазно-абразивній обробці металів, подані в роботах С.Г. Редько та А.В. Корольова, А.П. Хусу та Ю.Р. Вітенберга, Ю.К. Новосьолова та А.В. Корольова, Л.Н. Филимонова, П.Г. Матюхи, А.Г. Суслова дозволяють прогнозувати параметри шорсткості поверхні, що утворюється при цьому виді обробки металевих виробів. Для кераміки опис формування шорсткості, яка виникає при шліфуванні, зводиться до представлення емпіричних рівнянь регресії або кореляційних рівнянь.
У зв'язку з цим виникає необхідність розробки математичної моделі формування шорсткості поверхні керамічних виробів при алмазному шліфуванні і проведення досліджень по виявленню зв'язків таких експлуатаційних показників як зносостійкість, коефіцієнт тертя з параметрами стану поверхневого шару кераміки, що задаються на стадії шліфування. Вирішення цієї задачі повинно сприяти підвищенню надійності вузлів тертя ковзання виробів із оксидної кераміки.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота є частиною досліджень, проведених на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” Донецького державного технічного університету в рамках держбюджетних тем - “Основи теорії і створення підшипників ковзання нового покоління і технології їх виготовлення” (№ держ. реєстрації 0195U006593) та “Основи теорії керування алмазною обробкою виробів із оксидної кераміки для забезпечення їх високої якості” (№ держ. реєстрації 0100U001018).
Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - формування шорсткості і дефектності поверхні керамічних виробів на основі оксиду алюмінію при алмазному шліфуванні, що забезпечують поліпшення їхніх експлуатаційних характеристик.
Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:
1.
Розроблена математична модель визначення параметрів шорсткості поверхні, яка виникає при алмазному шліфуванні кераміки, що дозволяє задавати необхідну висоту мікрорельєфа, виходячи з експлуатаційних вимог.
2.
Розроблені методики проведення досліджень для визначення показників якості поверхневого шару кераміки, що задаються на стадії алмазного шліфування, і впливу їх на експлуатаційні характеристики керамічних виробів.
3.
Експериментально вивчені закономірності формування поперечного перетину зрізу, що утворюється від діяння алмазного зерна, у залежності від режимів різання і характеристик круга при обробці кераміки, що необхідно для теоретичного опису формування шорсткості поверхні при алмазному шліфуванні оксидної кераміки.
4.
Експериментально досліджений вплив режимних параметрів алмазного шліфування і характеристики круга на шорсткість і дефектність поверхні оксидної кераміки.
5.
Експериментально встановлений вплив шорсткості оксидної кераміки, що задається на стадії алмазного шліфування, на тріботехнічні показники пари тертя кераміка - загартована сталь.
6.
Розроблені рекомендації щодо визначення режимів різання і характеристики алмазного інструмента по заданим параметрам шорсткості поверхні та обмеженням по припустимим розмірам дефектів оксидної кераміки.
Об'єкт дослідження - процес формування поверхневого шару оксидної кераміки при алмазному шліфуванні.
Предмет дослідження - шорсткість і дефектність поверхні оксидної кераміки, що виникають при алмазному шліфуванні.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії різання, механіки крихкого руйнування і теорії імовірностей. Розглянуто кінематику процесу взаємодії алмазних зерен з оброблюваною поверхнею при алмазному шліфуванні з обліком імовірного характеру крихкого руйнування оксидної кераміки. Математичне моделювання досліджуваного процесу проведено з використання математичного пакету MathCAD 7.0 Professional на ПЕОМ.
Експериментальні дослідження базуються на теорії планування і статистичної обробки результатів експериментів, апараті дисперсійного аналізу, із застосуванням обчислювальної техніки та проведенні в лабораторних умовах із використанням сучасних методів дослідження і вимірювальної апаратури (профілографування поверхні, капілярний метод люмінесцентної дефектоскопії, профілографування ріжучої поверхні алмазного круга з виділенням алмазних зерен та ін.). У основу методики проведення експериментальних досліджень покладений принцип комплексного вивчення впливу режимних параметрів алмазного шліфування оксидної кераміки на формування поверхневого шару і стану останнього на експлуатаційні характеристики керамічних виробів.
Наукова новизна одержаних результатів
1.
Вперше розроблена математична модель формування шорсткості при алмазному шліфуванні оксидної кераміки з урахуванням ймовірного характеру крихкого руйнування поверхневого шару кераміки і стана ріжучого рельєфу круга, що дозволяє прогнозувати параметри шорсткості поверхні кераміки при алмазному шліфуванні і надалі виготовляти вироби з оксидної кераміки з раціональними параметрами мікронерівностей.
2.
Вперше встановлено, що при алмазному шліфуванні оксидної кераміки мають місце п'ять форм поперечного перетину зрізу: що копіюється, скольчата, тріщинувата, комбінована й осередкова. Найбільш характерною формою зрізу при крихкому руйнуванні є осередкова.
3.
Вперше теоретично й експериментально встановлене, що найбільший вплив на формування шорсткості поверхні оксидної кераміки при алмазному шліфуванні надає різновисотність зерен алмазного круга.
4.
Винайшло підтвердження для оксидної кераміки положення про те, що при рівні дефектності, яка виникає при обробці, що не перевищує рівень структурної дефектності, міцність керамічних виробів не знижується.
Практичне значення отриманих результатів:
-
на основі теоретичних і експериментальних досліджень визначені раціональні режими різання і характеристики шліфувального круга, виходячи з необхідних параметрів шорсткості і дефектності поверхні керамічних виробів;
-
проведені експериментальні дослідження дозволяють прогнозувати ймовірність руйнування керамічних деталей унаслідок рівня їхньої дефектності, як структурної, так і оброблювальної, а також напруг, що діють;
-
на основі експериментальних досліджень визначені раціональні параметри шорсткості поверхні, маршрут обробки і режими різання при шліфуванні виробів на основі оксидної кераміки, що дозволяє знизити коефіцієнт тертя, знос сталевого контртіла і поліпшити температурний режим роботи;
-
за результатами досліджень розроблена конструкція керамічного підшипникового вузла, на яку отриманий патент України (№34860А від 15.03.2001р.).
У результаті виконаної роботи розроблені рекомендації на вибір режимів різання і параметрів алмазного інструмента при обробці керамічних деталей вузлів тертя ковзання, що дозволило формувати необхідну мікрогеометрію поверхневого шару, виходячи з необхідних експлуатаційних якостей - мінімального часу приробітки, низьких значень коефіцієнта тертя і зносу поверхонь, що труться.
Результати роботи впроваджені на підприємстві “Кераміка” (м. Донецьк). Застосування запропонованих рекомендацій при виробництві керамічних плунжерів роторно-поршневих насосів і бандажних кілець волочильних станів дозволило знизити витрати на їхнє виробництво й експлуатацію на 20% і збільшити ресурс роботи, відповідно, на 95% і 35%.
Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включених у дисертацію, докладені: на IV міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології машинобудування і сучасність” у м. Севастополі (1997 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Прикладні дослідження в технології виробництва скла і стеклокристалевих матеріалів” у м. Константинівці (1997 р.), на 3-ій міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми підвищення якості промислової продукції” у м. Брянську (Росія, 1998 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Tehnologii Moderne Calitate Restructurare” у м. Кишиневі (Молдавія, 1999 р.), на VI міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” у м. Севастополі (1999 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “International Scientific Conference Modern Technologies, Quality, Restructuring” у м. Ясси (Румунія, 2000 р.).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 11 наукових публікаціях, з них в 6 статтях збірників наукових праць рекомендованих ВАК України, у 4 збірниках праць міжнародних конференцій, у 1 збірнику тез конференцій.
Структура й обсяг роботи. Робота містить: вступ, 6 розділів, висновки, список використаних джерел, додатки. Загальний обсяг - 224 сторінки, у тому числі 71 рисунок, 10 таблиць, 6 додатків, список використаних джерел із 148 бібліографічних назв.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ. У вступній частині роботи обгрунтована актуальність проблеми формування поверхневого шару керамічних виробів на основі оксиду алюмінію (Al2O3) при алмазному шліфуванні. У цій частині роботи сформульовані: мета роботи і задачі дослідження, визначені наукова новизна і наукові положення, отримані практичні результати, показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, темами, планами, подана інформація про апробацію роботи.
Розділ 1. Приведений аналіз огляду літератури по розглянутому питанню. Аналіз апріорної інформації показав, що інтерес до використання кераміки у виробах тріботехнічного призначення, що виник у 60-ті роки, не ослаблюється дотепер. Дослідження, у першу чергу, ведуться по вивченню впливу на антифрикційні характеристики режимних параметрів навантаження - швидкості ковзання, контактного тиску або навантаження. Практично всі результати роботи отримані на стандартних машинах тертя, що адекватно відбивають антифрикційні параметри досліджуваних матеріалів, але не завжди можна використовувати при створенні реальних вузлів тертя.
Проведені раніше дослідження механізму руйнації оксидної кераміки не дозволяють представити повну і достовірну картину руйнації матеріалу припуску при алмазному шліфуванні, тому що практично усі вони проводилися з використанням метода індентування. Не дослідженим залишилося питання про форму поперечного перетину зрізу, який утворюється при алмазному шліфуванні кераміки, що й обумовлює відсутність теоретичних досліджень формування шорсткості поверхні кераміки при алмазному шліфуванні.
Дослідники практично не надають значення таким параметрам оксидної кераміки як технологічна і стала шорсткість, дефектність, що виникає в результаті алмазного шліфування, і пористість. У той же час, існує велика кількість робіт для металів і полімерів, що показують наскільки є значущими параметри поверхневого шару деталей, що труться, для їх тріботехнічних показників. Проведені дослідження з даного питання для кераміки не численні і не дозволяють відбити рішення цієї задачі.
Результати практичних робіт з дослідження утворення шорсткості оксидної кераміки при алмазній обробці зводяться до представлення результатів у вигляді рівнянь регресії, що можна розглядати лише як окремий випадок, характерний для даних умов обробки. Стан ріжучої частини алмазного круга у цих моделях не враховується, хоча для металевих матеріалів відомо, яке має значення різновисотність зерен для шорсткості сформованої поверхні виробів.
При аналізі літературних джерела по даному питанню були розглянуті роботи таких відомих учених, як: А.І. Грабченка, Н.Б. Демкіна, А.А. Кацури, В.С. Комбалова, А.В. Корольова, Б.І. Костецького, В.І. Лавриненка, П.Г. Матюхи, Ю.К. Новосьолова, С.Г. Редька, Е.В. Рижова, А.П. Семенова, А.М. Сулима, А.Г. Суслова, Л.Н. Філімонова, Е.Л. Шведкова, С. Малкина, Д. Маршала, Р.В. Райса і ін.
Розділ 2. На основі розгляду кінематики процесу взаємодії алмазних зерен з поверхнею, що оброблюється, і з урахуванням ймовірного характеру крихкого руйнування подана математична модель формування шорсткості поверхні оксидної кераміки при алмазному шліфуванні.
При розробці математичної моделі визначення параметрів шорсткості були прийняті наступні допущення:
-
поперечний перетин шліфованої поверхні керамічного зразка є сукупністю зрізів, залишених зернами ефективного профілю круга з урахуванням особливостей крихкого руйнування кераміки;
-
при глибині шліфування, яка більше значення параметра шорсткості Rmax шорсткість поверхні формується за один прохід, у протилежному випадку шорсткість поверхні формується за декілька проходів;
-
процес шліфування протікає без вібрацій, що мають місце при реальній обробці.
Найбільшу висоту профілю Rmax, що утворюється при алмазному шліфуванні оксидної кераміки, можна визначити як
(1)
де tz2t,1 - глибина, при якій відбувається повне перекриття поперечних зрізів; ck - приріст глибини різання, який виникає в результаті крихкого руйнування; - радіус округлення вершини зерна; B5 і B51 - ширина зрізу, відповідно, ідеального і залишеного алмазним зерном у кераміці.
Середнє арифметичне відхилення профілю поверхні кераміки Ra при алмазному шліфуванні
(2)
де F1 і F2 - відповідно площі виступів і западин, виміряні від середньої лінії; lб - базова довжина поверхні, на якій робиться вимір параметрів шорсткості; FS2 - сумарна площа перетину зрізу в шорсткуватому шарі.
Відносна опорна довжина профілю tp може бути визначена
(3)
де ВК2 - сумарна ширина зрізу.
Параметр шорсткості Rz - висота нерівностей по десятьох точках
(4)
де - різновисотність зерна m (при розподілі різновисотності зерен, що підпорядкується закону Вейбулла-Гнеденко (параметри и ); F(tm) - імовірність появи зерна m.
Середня відстань нерівностей профілю Sm у межах базової довжини визначим по числу активних ріжучих зерен NN, які залишають свій слід у шорсткуватому шарі
. (5)
Середня відстань місцевих виступів профілю S
(6)
де NN2 - число активних ріжучих зерен, що беруть участь у процесі різання в інтервалі глибин різання від tz50 до tz100, де tz50 - глибина різання, що відповідає середній лінії; tz100 - глибина різання, що відповідає Rmax.
Таким чином, на підставі залежностей (1) – (6) можна визначити всі параметри, що характеризують шорсткість оксидної кераміки, яка утворюється при алмазному шліфуванні у відповідності з ГОСТ 2789-73: середнє арифметичне відхилення профілю Ra, висоту нерівностей по десятьох точках Rz, найбільшу висоту профілю Rmax, відносну опорну довжину профілю tp, середня відстань нерівностей профілю Sm, середню відстань місцевих виступів профілю S. Це дозволяє прогнозувати параметри шорсткості поверхні кераміки при алмазному шліфуванні і надалі виготовляти керамічні вироби з раціональними показниками висоти мікронерівностей.
Розділ 3. Даний розділ роботи присвячений питанням розробки методики проведення експериментальних досліджень.
Найбільше ефективним методом рішення поставленої задачі є комплексне застосування іспитів по формуванню якісних показників під час механічної обробки і тріботехничних досліджень. Для цього розроблена структурна схема проведення досліджень по визначенню впливу режимних параметрів алмазного шліфування оксидної кераміки на формування поверхневого шару і впливу стану останнього на тріботехнічні показники пари тертя (рис. 1).
Рис.1. Структурна схема проведення експериментальних досліджень
У першому розділі, на основі апріорної інформації, зроблений висновок про те, що найбільше значимими характеристиками, які надають вплив на процес тертя, є шорсткість поверхні і дефектність поверхневого шару, що задаються на стадії механічної обробки. Причому перша характеристика впливає безпосередньо на такі показники як тривалість приробітки, знос тертьових тіл, температуру в зоні контакту і коефіцієнт тертя. Друга характеристика має непрямий вплив на тріботехнічні показники, що виявляється через надійність роботи підшипникового вузла. Визначалися наступні фізико-механічні параметри кераміки на основі оксиду алюмінію (Al2O3): мікротвердість, щільність, пористість, дефектність, металографічна структура, межа міцності при вигині.
Наступним етапом досліджень є установлення впливу параметрів алмазного шліфування на формування характеристик поверхневого шару кераміки. На даному етапі проводяться експериментальні дослідження з визначення впливу режимних характеристик алмазного шліфування (швидкість круга, швидкість деталі, глибина різання) і параметрів алмазного інструмента (зернистість круга, різновисотність алмазних зерен) на досліджувані параметри поверхневого шару кераміки.
У результаті цих досліджень повинна бути встановлена картина формування поверхневого шару кераміки при різних схемах алмазного шліфування (плоске, кругле внутрішнє і кругле зовнішнє). Для рішення задачі запису ріжучого профілю алмазного круга з виділенням зерен із загального рельєфу круга на металевій зв'язці був розроблений спеціальний пристрій. Він побудований на базі профілограф-профілометра мод. 201, електронного блока і пристосування. Інформація виводиться на стрічку самописного приладу профілограф-профілометра.
Третім етапом досліджень є моделювання на стенді умов роботи трибосполучення. На цьому етапі реалізуються дослідження з визначення впливу шорсткості, що виникає при алмазному шліфуванні, на триботехнічні параметри пари тертя. Для цього був розроблений іспитовий стенд, що являє собою машину тертя з натурними зразками підшипників, працюючий по зворотній схемі: обертовий підшипниковий вузол - нерухомий вал. На стенді вимірювалися і реєструвалися параметри, необхідні для одержання повної інформації про процес тертя: момент і коефіцієнт тертя, температура в зоні тертя, радіальне навантаження, знос сполучених поверхонь, швидкість ковзання і шлях тертя.
Заключним етапом досліджень є встановлення раціональних показників поверхневого шару для пари тертя кераміка - загартована сталь і видача рекомендацій до вибору режимних параметрів алмазного шліфування кераміки і характеристики круга. Критерієм до цього служить мінімальний час приробітки пари тертя, мінімальні знос і коефіцієнт тертя в розглянутому вузлі тертя ковзання.
Розділ 4. Даний розділ роботи присвячений дослідженню впливу характеристики круга і режимів різання на утворення поперечного перетину зрізу при алмазному шліфуванні кераміки.
Рис. 2. Поверхня керамічного зразка після алмазного шліфування
Рис. 3. Класифікація видів руйнування кераміки
Для визначення характеру руйнування кераміки на різній глибині з обліком динамічної погрішності системи “Верстат – прилад – інструмент – деталь“ (ВПІД) був використаний метод, запропонований А.К. Байкаловим - алмазне шліфування при поздовжньому урізанні в керамічний зразок, виконаному у вигляді плоского, відполірованого клина з малим кутом нахилу. У результаті проведених досліджень (рис. 2) можна виділити три типа руйнування кераміки (рис.3): квазіпластичне, коли форма поперечного перетину зрізу повторює форму зерна; пластично-крихке, форма поперечного зрізу повторює форму зерна з невеликими відколами; крихке, коли форма зрізу, що утворився, відрізняється від форми зерна. Квазіпластичний характер руйнування викликає мінімальні відхилення поперечного зрізу від профілю зерна (форма зрізу, що копіюється). При пластично-крихкому руйнуванні поперечні зрізи можуть бути скольчаті, тріщинуваті і комбіновані. При крихкому руйнуванні форма зрізу осередкова, що не має подібності з профілем зерна і перевищує ширину і глибину впровадження зерна. Характер руйнування, а отже і форма поперечного перетину зрізу залежать від: геометричної форми зерна, режимів різання, жорсткості системи ВПІД, зернистості круга і фізико-механічних властивостей кераміки. Вплив форми зерна і його розмірів позначається на таких параметрах як ширина і глибина зрізу. При пластичній деформації ширина зрізу дорівнює ширині зерна на цій глибині, а глибина зрізу відповідно глибині впровадження зерна. При пластично-крихкій і крихкій руйнації форма зрізу змінюється під дією таких факторів як: глибина різання, подача, розмір зерна алмазного круга.
Рис. 4. Вплив глибини упровадження зерна на щільність імовірності появи осередків руйнації кераміки. Плоске шліфування периферією круга. Швидкість деталі 0,5 м/хвил, зернистість алмазних порошків – 125/100
На основі проведених експериментальних досліджень установлено, що найбільш характерною формою поперечного перетину зрізу при алмазному шліфуванні оксидної кераміки є осередкова форма. Визначено імовірні характеристики крихкого руйнування кераміки на основі оксиду алюмінію. Вирівнювання експериментальних даних виконувалося такими теоретичними законами розподілу: нормальним, гамма-розподілом, розподілом Вейбулла-Гнеденко і експоненціальним (рис.4). Для перевірки відповідності цих теоретичних розподілів емпіричним даним використовувався критерій Пірсона 2 при рівні значимості 0,05. Найбільше універсальним теоретичним законом, що описує ймовірність крихкого руйнування є закон Вейбулла-Гнеденка.
Аналізуючи експериментальні дані, можна прийти до висновку, що розмір ширини поперечного перетину зрізу b при алмазному шліфуванні кераміки може бути описаний наступним рівнянням
де - питома продуктивність шліфування; a, c - коефіцієнти рівняння регресії; F(t) - імовірність крихкої руйнації на глибині t.
Глибина поперечного перетину зрізу
Для визначення характеру зміни різновисотності зерен алмазного круга після правки (електроерозійної) і після шліфування кераміки були проведені дослідження з кругами 1А1 200х20х32 АС6 - 4 - М2-01 із алмазів зернистістю 315/250 і 125/100. Рельєф ріжучої поверхні кола фіксувався за допомогою профілограф - профілометра мод. 201 із виділенням зерен із загального профілю круга спеціально розробленим приладом. Встановлено, що після 2 годин шліфування кераміки відбувається вирівнювання різновисотності і зменшення кількості найбільше виступаючих зерен. Це можна пояснити тим, що в процесі обробки досить твердого керамічного матеріалу відбувається викришування і знос алмазних зерен. Встановлено, що найбільше універсальним законом, що описує імовірні характеристики різновисотності зерен алмазних кругів, є закон Вейбулла-Гнеденка.
Рис. 5. Вплив глибини шліфування на параметр шорсткості Rz при алмазному шліфуванні кераміки периферією круга. Швидкість деталі 2 м/хвил, зернистість алмазних порошків круга: – 315/250
Розділ 5. У цьому розділу розглядаються результати експериментальних досліджень впливу режимних параметрів, характеристик круга і пористості кераміки на параметри якості обробленої поверхні кераміки при різних схемах шліфування з метою установлення фізичних закономірностей і підтвердження теоретичних висновків.
У результаті проведення експериментальних досліджень по плоскій схемі шліфування периферією круга було встановлене наступне. Застосування алмазних кругів із меншою зернистістю веде до зменшення шорсткості. У той же час слід зазначити, що для даних умов проведення експерименту - різновисотності зерен, що сформувалася, алмазних кругів з алмазів АС6 зернистістю 125/100 і 315/250 після електроерозійної правки, статистична розбіжність висоти шорсткості при обробці кругами різної зернистості не значуща (критерій Фішера, рівень значимості 0,05). Це свідчить про те, що різновисотність ріжучих зерен, при алмазному шліфуванні кераміки, надає більший вплив на параметри шорсткості, чим зернистість круга. При більш рівномірному рельєфі ріжучої поверхні круга формується менша шорсткість кераміки.
Порівняння експериментальних даних із значеннями, отриманими в результаті теоретичного розрахунку (рис. 5) показали наступне. З 24 порівнюваних точок усі теоретичні значення потрапляють у довірчий інтервал експериментальних даних. Також як і експериментальні дані, для різновисотності алмазних зерен, що сформувалася, теоретичні значення висоти шорсткості кераміки при обробці кругами з алмазів зернистістю 315/250 і 125/100 мають не значні розбіжності. Це також підтверджує висновок про те, що при алмазному шліфуванні кераміки найбільше значимим фактором є різновисотність зерен круга.
Після статистичної обробки результатів експериментальних досліджень, при круглому внутрішньому і зовнішньому шліфуванні, вдалося установити ступінь впливу всіх факторів, що розглядалися на зміну шорсткості керамічного зразка при алмазній обробці. До факторів, що сприяють росту шорсткості, відносяться (у порядку зменшення впливу): подача круга, пористість керамічного зразка, зернистість алмазних порошків круга. У той же час, сприяють зменшенню шорсткості: швидкість обертання деталі і число проходів.
У результаті проведення дробового факторного експерименту було отримане рівняння регресії для круглого внутрішнього шліфування, що адекватно (критерій Фішера, рівень значимості 0,01) відбиває вплив перерахованих вище факторів на параметр шорсткості Rz обробленої поверхні кераміки:
де S - подача круга, мм/сек; d - зернистість круга, середнє значення, мкм; П - пористість кераміки, %; V - швидкість обертання деталі, м/хвил; n - число проходів (виходжування).
У результаті проведених дефектоскопічних досліджень були отримані експериментальні залежності, що розкривають зв'язок між пористістю кераміки, максимальним розміром структурних дефектів і їхньої поверхневої щільністю. Зміна максимального значення структурних дефектів dmax можна описати лінійною залежністю
Змінювання поверхневої щільності структурних дефектів ПП при різній пористості кераміки
Змінювання максимального лінійного розміру дефектності, що виникає при шліфуванні, для плоского шліфування алмазним кругом з алмазів зернистістю 315/250 із достатнім ступенем точності (погрішність не більш 20%) можна описати наступним рівнянням регресії
де t і S - відповідно глибина різання (мкм) і швидкість деталі (м/хвил).
Імовірність руйнування керамічних зразків при напрузі G, виникаючому від зовнішнього навантаження, може бути описана
Таким чином, проведені дослідження дозволяють прогнозувати для діючих напруг імовірність руйнування керамічних деталей при визначеному рівні їхньої дефектності, як структурної, так і виникаючої від обробки.
Розділ 6. У цьому розділі розглядаються результати експериментальних досліджень впливу шорсткості кераміки, що виникає в результаті алмазного шліфування, на тріботехнічні показники вузла тертя ковзання під час приробітки й в експлуатаційному режимі і даються рекомендації до вибору параметрів механічної обробки деталей вузлів тертя ковзання на основі алюмооксидної кераміки.
На підставі проведених досліджень було встановлено, що складний комплекс процесів, що протікають при фрикційному контакті пари тертя кераміка – сталь, приводить до нелінійних залежностей зміни коефіцієнта тертя і швидкості зношування від контактного тиску. Мікрогеометричні параметри тертьових поверхонь впливають на тепловий режим роботи і коефіцієнт тертя через зміну фактичної площі контакту. Порівняльні іспити, проведені для підшипникових вузлів, виготовлених із кераміки і бронзи, показали приблизно рівний коефіцієнт тертя, що дозволяє використовувати кераміку в якості матеріалу опор ковзання при обмеженому режимі змазування.
Шорсткість поверхні керамічної втулки, отримана в результаті механічної обробки, впливає на процес приробітки пари тертя. Найбільше доцільно задавати на етапі механічної обробки шорсткість цього вузла тертя близьку до рівноважного - 0,5 - 1 мкм (параметр Rz). При експлуатації це веде до зниження коефіцієнта тертя, зносу сталевого контртіла і поліпшенню температурного режиму робота. Час приробітних процесів при цьому скорочується.
На підставі теоретичних і експериментальних досліджень по формуванню показників якості поверхневого шару керамічних деталей вузлів тертя ковзання розроблені рекомендації для вирішення задачі вибору параметрів механічної обробки.
Достовірність основних положень, поданих у роботі була апробована у виробничих умовах при обробці плунжерів роторно-поршневих насосів і бандажних кілець волочильних станів. Очікуваний річний економічний ефект при виробництві 100 роторно-поршневих насосів із керамічними плунжерами, за даними ТОВ “Кераміка”, складає 12000 грн. (у цінах липня 1998 р.).
Для підвищення ефективності використання керамічних підшипників ковзання розроблена конструкція збірного підшипникового вузла (патент на винахід України №34860А від 15.03.2001 р.). Підшипниковий вузол призначений для роботи в умовах обмеженого змазування - при сухому і граничному терті.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ
Підсумком роботи є наступні наукові і практичні результати:
1.
Вперше розроблена математична модель для визначення параметрів шорсткості поверхні оксидної кераміки з обліком імовірного характеру крихкого руйнування поверхневого шару кераміки і стану ріжучого рельєфу круга. Це дозволяє прогнозувати параметри шорсткості поверхні кераміки при алмазному шліфуванні і надалі виготовляти вироби з оксидної кераміки з раціональними параметрами мікронерівностей.
2.
Розроблено методику проведення експериментальних досліджень показників якості поверхневого шару кераміки, що задаються на стадії алмазного шліфування, і оцінки впливу їх на експлуатаційні показники керамічних виробів.
3.
Експериментально встановлено, що при алмазному шліфуванні оксидної кераміки можливі три види руйнування, а саме: квазіпластичне, пластично-крихке і крихке. При цьому можливі п'ять форм поперечного перетину зрізу: що копіюється, скольчата, тріщинувата, комбінована й осередкова. Найбільше характерною формою зрізу при крихкому руйнуванні оксидної кераміки є осередкова. Виведено рівняння, що описують зміну ширини і глибини поперечного перетину зрізу при алмазному шліфуванні кераміки, що дозволяють розрахувати параметри шорсткості.
4.
Встановлено що, при структурних дефектах, що перевищують розміри дефектів, що виникають при обробці, останні не надають впливи на міцність керамічних виробів. Обгрунтовано можливість вибору режимних параметрів обробки кераміки, при яких без погіршення шорсткості рівень дефектності, що виникає при обробці, не буде перевищувати рівень структурної дефектності.
5.
Виявлено зв'язок між параметрами шорсткості обробленої поверхні кераміки і режимами різання алмазного шліфування, зернистістю алмазного порошку в інструменті і пористистю кераміки. Найбільше значимий вплив на шорсткість надають різновисотність зерен алмазного круга і зернистість алмазного порошку в кругу.
6.
Експериментально встановлено, що найбільш доцільно задавати на етапі алмазного шліфування шорсткість керамічного вузла тертя ковзання близьку до рівноважного - 0,5 - 1 мкм (параметр Rz), тому що це веде до зниження коефіцієнта тертя, зносу сталевого контртіла і поліпшенню температурного режиму роботи.
7.
На підставі результатів досліджень розроблені рекомендації щодо вибору режимів і параметрів алмазної обробки керамічних деталей вузлів тертя ковзання, що забезпечують можливість формування поверхневого шару, виходячи з необхідних експлуатаційних якостей - мінімального часу приробітки, низького коефіцієнта тертя і зносу тертьових поверхонь.
8.
Наукові і практичні результати роботи впроваджені на підприємстві “Кераміка” при виробництві керамічних підшипників ковзання і бандажних кілець. За рахунок збільшення терміна служби опор тертя ковзання, що швидкоспрацьовуються, збільшений ресурс роботи роторно-поршневих насосів на 95% і волочильних станів на 35% і знижені витрати на їхнє виробництво й експлуатацію на 20%.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1.
Стенд для исследования долговечности подшипников скольжения /Вяльцев Н.В., Горкуша А.Е., Гусев В.В., Молчанов А.Д. //Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сб. науч. статей. – Донецк: ДонГТУ. - 1996. - Вып.3. – С.10-13.
2.
Молчанов А.Д. Модель ускоренных триботехнических испытаний //Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Межд. сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. - 1998. - Вып.5. – С.133-137.
3.
Формирование поверхностного слоя оксидной керамики при алмазном шлифовании /Вяльцев Н.В., Гусев В.В., Киселева И.В., Молчанов А.Д. //Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Межд. сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. - 1999. - Вып.8. – С.40-44.
4.
Гусев В.В., Молчанов А.Д. Влияние пористости оксидной керамики на триботехнические показатели пары трения “керамика-сталь” // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Межд. сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. - 1999. - Вып.7. – С.50-56.
5.
Молчанов А.Д. Математическая модель формирования шероховатости поверхности при алмазном шлифовании керамики // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Межд. сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. - 2000. - Вып.10. – С.162-170.
6.
Исследование механизма разрушения и формы поперечного сечения среза при алмазном шлифовании алюмооксидной керамики /Гусев В.В., Молчанов А.Д., Вяльцев Н.В., Ткач В.Н. // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Межд. сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. - 2000. - Вып.11. – С.198-203.
7.
Гусев В.В., Молчанов А.Д. Исследование трибологических характеристик минералокерамических подшипников скольжения //Прогрессивные технологии машиностроения и современность. Сб. трудов межд. науч.-техн. конференции в г.Севастополе 9-12 сентября 1997г. – Донецк: ДонГТУ. - 1997. – С.77-79.
8.
Гусев В.В., Молчанов А.Д. Влияние технологических и структурных факторов на триботехнические показатели минералокерамики //Проблемы повышения качества промышленной продукции. Сб. трудов 3-й межд. научн.-техн. конференции 14-16 октября 1998г. – Брянск: БГТУ. - 1998. - С.116-119.
9.
Гусев В., Молчанов А. Формирование качественных показателей поверхностного слоя триботехнической керамики //Tehnologii Moderne, Calitate, Restructurare. Conferinta internationala de comunicari stiintifice consacrata aniversarii a 35-a Universitatii Tehnice a Moldovei. 27-29 mai 1999. – Chisinau: Universitatea tehnica a Moldovei. - Vol.1. - 1999. – T.173-175.
10.
Gusev V., Molchanov A., Kiseliova I. Diamond grinding influence on strength characteristics of ceramics // The technical papers from this volume were communicated to the International Scientific Conference Modern Technologies, Quality, Restructuring, T.C.M.R. – tomul XLVI(L), supliment I. – 2000, Jassy, May 25th –27th. - 2000. – P. 55-58.
11.
Исследование работы самосмазывающихся керамических подшипников /Гусев В.В., Молчанов А.Д., Вяльцев Н.В., Непомнящий О.А. //Прикладные исследования в технологии производства стекла и стеклокристаллических материалов. Тезисы докладов межд. науч.-техн. конференции. 28-30 октября 1997г. – Константиновка: УкрГИС. - 1997. – С.82.
Особистий внесок здобувача в публікаціях:
1 - розробка загальної концепції стенда, методик виміру й участь у виготовленні; 3 - розробка методики і реалізація експерименту, 4 - проведення тріботехнічних досліджень; 6 - проведення експериментальних досліджень і розробка класифікації форм поперечного перетину зрізу; 7 - проведення та обробка результатів тріботехнічних досліджень; 8 - проведення експериментальних досліджень впливу механічної обробки на шорсткість і дефектність поверхні кераміки; 9 - проведення досліджень по формуванню шорсткості кераміки при алмазному шліфуванні; 10 - проведення експериментальних досліджень по визначенню впливу режимних параметрів алмазного шліфування кераміки на дефектність; 11 - проведення експериментальних досліджень.
АНОТАЦІЯ
Молчанов О.Д. “Формування поверхневого шару виробів із оксидної кераміки при алмазному шліфуванні”. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2001.
Дисертація присвячена питанням формування шорсткості і дефектності поверхні керамічних виробів на основі оксиду алюмінію на етапі алмазного шліфування. Розроблені: математична модель формування шорсткості поверхні керамічних виробів при алмазному шліфуванні, методичний план проведення досліджень. Проведено дослідження, за допомогою яких установлений механізм руйнації кераміки при алмазному шліфуванні. Визначені найбільш ймовірні форми поперечного перетину зрізу, що утворюються при цьому виді механічної обробки. Проведено експериментальні дослідження з визначенням впливу режимних параметрів, зернистості круга і пористості кераміки на шорсткість і дефектність при різних схемах шліфування. Експериментально досліджено вплив шорсткості і пористості оксидної кераміки на характеристики процесу тертя. Розроблено рекомендації до вибору параметрів алмазної обробки виробів із кераміки на основі оксиду алюмінію. Результати дисертаційної роботи впроваджені у виробництво.
Ключові слова: шліфування, кераміка, оксид алюмінію, шорсткість, дефектність, триботехніка.
ANNOTATION
A.D. Molchanov. Creation of the Surface of the Articles Made of Oxide Ceramics under Diamond Grinding. – Manuscript.
The thesis to obtain the science degree of the Candidate of Science an the speciality 05.03.01 –Machining Processes, Machine Tools and Tools.- Donetsk State Technical University, Donetsk, 2001.
The thesis is devoted to the problems of creation of grain and unsoundness of the surface of adamant based ceramic products at the stage of diamond grinding. The mathematical model of creation of the surface roughness of the ceramic products under diamond grinding, the methodical plan of carrying out the research were developed. The research, with the help of which the mechanism of corrupting of ceramics under diamond grinding is determined, is carried out. The most probable forms of the cross-section of the edge formed under this sort of machining are defined. The experimental research to define the influence of regime parametres, articles circle graininess, ceramics grain porosity and ceramics unsoundness are carried out under different schemes of grinding. Influence of grain and porosity of oxide ceramics on characteristics of the process of friction is experimentally tested. The guidelines to choose the parametres of diamond processing of the articles based on alumina ceramics are developed. The outcomes of the thesis have been implemented into manufacturing.
Key words: grinding, ceramics, adamant, grain, unsoundness, tribotechnique.
АННОТАЦИЯ
Молчанов А.Д. “Формирование поверхностного слоя изделий из оксидной керамики при алмазном шлифовании”. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - Процессы механической обработки, станки и инструменты. – Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2001.
Диссертация посвящена вопросам формирования шероховатости и дефектности поверхности керамических изделий на основе оксида алюминия на этапе алмазного шлифования. Керамика, занимая по физико-механическим свойствам промежуточное положение между минералами и металлами, из-за своей твердости является материалом, сложным в обработке. Наиболее эффективным способом удаления материала в керамических заготовках является шлифование алмазным кругом. Получение качественных изделий из оксидной керамики связано с решением ряда проблем на этапе получения заготовки и при механической обработке.
Для прогнозирования параметров шероховатости поверхности керамики при алмазном шлифовании и изготовления керамических изделий с рациональными показателями высоты микронеровностей была разработана математическая модель формирования шероховатости с учетом вероятностного характера хрупкого разрушения поверхностного слоя керамики и состояния режущего рельефа круга. С помощью данной модели можно определить все параметры, характеризующие шероховатость поверхности керамики в соответствии с ГОСТ 2789-73: среднее арифметическое отклонения профиля Ra, высоту неровностей по десяти точкам Rz, наибольшую высоту профиля Rmax, относительную опорную длину профиля tp, средний шаг неровностей профиля Sm, средний шаг местных выступов профиля S.
Для проведения экспериментальных исследований была разработана структурная схема (рис.1) и методики проведения исследований по определению влияния режимных параметров алмазного шлифования и характеристик круга на формирование поверхностного слоя керамики и влияние состояния последнего на эксплуатационные показатели керамических изделий.
Проведены исследования, с помощью которых установлен механизм разрушения керамики при алмазном шлифовании. Разработана классификация (рис.3) и определены формы поперечного сечения среза образующегося при алмазной обработке керамики. Установлено, что наиболее характерной формой поперечного сечения среза является очаговая. Определены вероятностные характеристики хрупкого разрушения и размеры поперечного сечения среза (рис.4). Наиболее универсальным теоретическим законом, описывающим вероятность хрупкого разрушения, является закон Вейбулла-Гнеденко. Проведенные экспериментальные исследования по определению характера разновысотности зерен алмазного круга показали, что как после правки круга, так и во время обработки наиболее
