Общая характеристика работы
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля
ПАСІЧНИЙ Олег Олегович
УДК 621.923
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ПРЕЦИЗІЙНОЇ АЛМАЗНОЇ ОБРОБКИ
ДЕТАЛЕЙ ТИПУ “КУЛЯ”
З КОНСТРУКЦІЙНОЇ КЕРАМІКИ
05.03.01 — Процеси механічної обробки, верстати та інструменти
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ — 2002
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ.
Науковий керівник: | кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Шепелєв Анатолій Олександрович,
Інститут надтвердих матеріалів НАН України, м. Київ, заступник директора з наукової роботи
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук,
професор
Петраков Юрій Володимирович,
Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ, завідувач кафедрою
“Технологія машинобудування”
кандидат технічних наук,
доцент
Солод Володимир Юрійович,
Дніпродзержинський державний технічний університет, декан механічного факультету
Провідна установа: | Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”, кафедра різання матеріалів та різальних інструментів
Захист відбудеться “ ” лютого 2002 р. о 1330 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська .
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів НАН України.
Автореферат розісланий “ ” грудня 2001 р.
Ваші відгуки на дисертацію у двох примірниках, завірені гербовою печаткою установи, просимо надсилати за вказаною адресою на ім’я вченого секретаря спеціалізованої вченої ради.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук |
Майстренко А. Л.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи обумовлюється використанням у машинобудівній, хімічній, оборонній та інших галузях промисловості значної кількості підшипників, насосів, вимірювальних та інших механізмів, ресурс роботи яких у значній мірі визначається працездатністю прецизійних куль, що переважно виготовляються із сталі і тому в умовах інтенсивних абразивного, корозійного та інших видів зносу швидко виходять з ладу. Тому у цих умовах більш ефективним є застосування конструкційної кераміки завдяки таким властивостям, як низькі коефіцієнти тертя та теплового розширення; високі показники твердості, міцності, термостійкості, зносостійкості та хімічної інертності.
Дослідження працездатності деталей типу “куля”, виготовлених із сучасних керамічних матеріалів, засвідчують можливість досягнення високих експлуатаційних показників та розширення функціональних можливостей приладів і вузлів механізмів, у яких вони використовуються. Насамперед це стосується керамічних куль для клапанів “куля-сідло”, підшипників кочення та інших механізмів.
Традиційні технології прецизійної обробки деталей типу “куля” мають певні вади, які у випадку обробки куль із високотвердої кераміки є принциповими, оскільки не дозволяють здійснювати високоефективну обробку з потрібними продуктивністю та якістю.
Реальним засобом підвищення ефективності прецизійної обробки керамічних куль є реалізація такої кінематики процесу, що забезпечує високу швидкість проковзування в зонах контакту куль з інструментом і керовану зміну положення миттєвої осі обертання куль під час обробки. Тому впровадження цього засобу та розробка відповідних пристроїв і технологій є важливою та актуальною науково-технічною задачею, яка має велике народногосподарське значення. Її вирішенню і присвячена дисертаційна робота.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Роботу виконано у відповідності з Державною науково-технічною програмою 05.04 “Надтверді та керамічні матеріали”, проект 05.04/02240 “Розробка технології прецизійної алмазної обробки куль підшипників з конструкційної кераміки”, а також з планами науково-дослідних робіт ІНМ НАН України.
Метою роботи є підвищення ефективності прецизійної алмазної обробки деталей типу “куля” з конструкційної кераміки на основі дослідження кінематики формоутворення сферичної поверхні, розробки спеціального інструменту та вдосконалення технології прецизійної обробки керамічних куль.
Задачі дослідження, які необхідно було вирішити для досягнення поставленої мети:
1.
Вивчити функціональні кінематичні схеми процесів прецизійної обробки деталей типу “куля”, у тому числі керамічних, проаналізувати їх переваги та недоліки.
2.
Запропонувати спосіб обробки деталей типу “куля”, який має переваги при прецизійній алмазній обробці керамічних куль порівняно з відомими.
3.
Розробити математичну модель кінематики процесу прецизійної обробки деталей типу “куля”.
4.
На підставі аналізу математичної моделі кінематики розробити конструкції інструментів для прецизійної обробки керамічних куль та провести експериментальні дослідження їх працездатності.
5.
Визначити вплив параметрів процесу та геометричних характеристик інструменту на показники прецизійної алмазної обробки керамічних куль.
6.
Визначити особливості прецизійної алмазної обробки куль з конструкційної кераміки на основі карбідів бору та кремнію.
7.
Розробити практичні рекомендації по ефективному застосуванню та впровадженню у виробництво технології прецизійної алмазної обробки куль з конструкційної кераміки на основі карбіду бору та кремнію.
Об’єктом дослідження у роботі є процес прецизійної алмазної обробки деталей типу “куля” з конструкційної кераміки.
Предмет дослідження — вплив схеми обробки, її кінематики, геометричних параметрів інструменту та технологічних режимів на вихідні показники процесу прецизійної алмазної обробки куль з конструкційної кераміки.
Методи дослідження — теоретичні методи, які базуються на положеннях теорії різання, механізмів та машин, контактних взаємодій; математичний аналіз і моделювання; експериментальні методи; дослідно-промислова перевірка.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
1.
В основу підвищення якості прецизійної обробки куль (зменшення відхилення від сферичної форми) покладено концепцію керованої зміни положення миттєвої осі їх обертання за рахунок змінного радіуса кривизни напрямної канавки таким чином, щоб на поверхні кулі утворювалась рівномірна сітка слідів обробки.
2.
В основу підвищення продуктивності прецизійної обробки куль покладено концепцію суттєвого підвищення швидкостей проковзування між поверхнями куль та інструменту внаслідок неспівпадання їх векторів руху в зонах контакту за рахунок відповідної форми напрямних елементів інструменту.
3.
Розроблено математичну модель кінематики прецизійної обробки куль з урахуванням тертя та зносу твірних напрямної канавки, що дозволило встановити зв’язок геометричних параметрів інструменту та умов обробки з величиною швидкостей ковзання у зонах обробки та закономірністю зміни кута нахилу власної осі обертання куль.
4.
Уперше отримано залежності впливу конструкційних параметрів інструменту, режимних параметрів обробки (зусилля притиснення, швидкості обертання інструменту, зернистості алмазів у доводочній пасті) та властивостей матеріалу заготівок куль на якість та продуктивність обробки, відносні витрати алмазів.
Практична цінність одержаних результатів:
1.
Розроблено новий спосіб обробки куль з конструкційної кераміки, що дозволило підвищити продуктивність прецизійної обробки у середньому в 12,8 раз та досягти точності куль (відхилення від сферичної форми) — не більш 0,3 мкм.
2.
Розроблено дискові інструменти для прецизійної алмазної обробки куль, що забезпечують високі показники якості та продуктивності.
3.
Визначено критерії працездатності інструменту для доведення куль, що являють собою систему нерівностей, які визначають діапазон можливих значень геометричних параметрів інструменту.
4.
За результатами досліджень розроблено практичні рекомендації щодо впровадження запропонованого методу обробки деталей типу “куля” з кераміки.
5.
Розроблений спосіб обробки пройшов дослідно-виробничі випробування в умовах науково-технологічного концерну АЛКОН при обробці керамічних куль з карбіду бору та кремнію, які призначені для використання в клапанах глибинних свердловинних насосів та підшипниках кочення.
Особистий внесок автора. У дисертаційній роботі наведено результати досліджень при безпосередній участі автора.
З наукових результатів особистим внеском автора є:
-
розробка та експериментальне підтвердження математичної моделі процесу прецизійної обробки куль з урахуванням тертя та зносу інструменту;
-
визначення умов працездатності інструменту для обробки куль;
-
встановлення залежностей впливу геометричних характеристик інструменту та технологічних параметрів на якість та продуктивність прецизійної обробки куль з конструкційної кераміки, відносні витрати алмазів.
Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на міжнародних та вітчизняних конференціях, симпозіумах, семінарах, виставках: “Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы” (м. Волжський, 1997 р.), “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (м. Київ, 1998 р.), “Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы” (м. Волжський, р.), “Сучасні матеріали, технології, обладнання та інструменти у машинобудуванні” (м. Київ, 1999 р.), “Композиційні матеріали у промисловості” (м. Київ, 1999 р.), “Машинобудування — крок у наступне тисячоліття” (м. Київ, 1999 р.), “Машинобудування України: стан та перспективи” (м. Запоріжжя, 1999 р.), “Кераміка-99. Інноваційно-інвестиційні можливості міжнародної співпраці” (м. Київ, 1999 р.), “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (м. Донецьк, 2000 р.), “Интерпартнер-2000 — Высокие технологии в машиностроении: современные тенденции развития” (м. Алушта, 2000 р.), “Надійність машин та прогнозування їх ресурсу” (м. Івано-Франківськ — Яремча, 2000 р.), “Проблемы машиностроения на пороге XXI века” (м. Баку, 2000 р.), “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве” (м. Харків, 2001 р.), “Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение” (м. Київ, 2001 р.).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 22 роботи, у тому числі 10 статей у фахових виданнях, 3 патенти України на винахід.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів та основних висновків. Основна частина містить 154 сторінки машино-писного тексту, 14 таблиць, 46 рисунків та 110 найменувань бібліографії.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи. Розглянуто переваги використання у механізмах та пристроях деталей типу “куля” з керамічних матеріалів замість металевих, зокрема куль з карбіду бора та кремнію. Звернено увагу на те, що ці матеріали за своїми властивостями вигідно відрізняються від інших керамік: мають найбільшу твердість та міцність, низький коефіцієнт тертя, досить високу термостійкість, велику хімічну стійкість і унікальну зносостійкість. Тому вони являються перспективними матеріалами для виготовлення з них прецизійних куль, особливо тих, що працюють в агресивних та високоабразивних середовищах за умов впливу високих температур та навантажень.
На підставі аналізу відомих методів прецизійної абразивної обробки деталей типу “куля” та особливостей обробки керамічних куль сформульовано мету та задачі досліджень.
В першому розділі наведено огляд існуючих технологій обробки куль. Під час аналізу цього питання широко використовувалися сучасні інформаційні технології. Зокрема, завдяки базам даних, що є в Internet, було виконано патентний пошук в області обробки куль, у тому числі керамічних. Проаналізовано недоліки відомих технологій та причини, що їх обумовлюють. Розглянуто особливості обробки деталей типу “куля” з керамічних матеріалів.
На нинішній час, прецизійну обробку куль, у тому числі керамічних, у переважній більшості випадків здійснюють за класичною схемою (традиційна технологія). Обробка ведеться шляхом кочення куль в кільцевих напрямних канавках між двома дисками у середовищі доводочної пасти. Цей спосіб досить простий у реалізації і дозволяє досягти високих показників при обробці сталевих куль. Проте йому властива низка недоліків, які набувають великої ваги при обробці керамічних матеріалів, насамперед внаслідок їх високої твердості. Найбільш значними недоліками традиційної обробки деталей типу “куля” є некероване положення миттєвої осі обертання та низькі швидкості у зоні обробки.
Рис. . Положення власної осі обертання та епюра швидкостей проковзування під час обробки куль у кільцевій канавці.
Під час обробки за класичною схемою кулі обертаються навколо власної осі обертання яка нахилена на кут a (р). Величина цього кута змінюється в дуже вузькому діапазоні, переважно за рахунок випадкових факторів — двох- або чотирьохточкового контакту куль з інструментами, вібрацій і т. п. Тому на поверхні куль не утворюється рівномірна сітка слідів обробки, а для досягнення високої точності потрібен тривалий час обробки.
Кінематична особливість традиційного методу обробки — низькі швидкості проковзування (1–5 м/хв) в зонах контакту (див. р). Наслідками цього є низькі продуктивність та стійкість інструменту, великі витрати алмазів доводочної пасти.
При обробці менш твердих матеріалів, як правило, є запас збільшення продуктивності обробки. Це надає можливість змінювати у досить широкому діапазоні як режимні параметри, так і склад доводочної пасти, що дозволяє оптимізувати процес і отримати потрібну якість обробки при задовільних показниках продуктивності обробки та витрат абразиву.
Ефективна обробка деталей типу “куля” з сучасних конструкційних керамік можлива тільки із застосуванням алмазів. А досягти задовільної продуктивності не вдається навіть при максимальних режимах обробки (без дотримання вимог до якості). Тому можливості оптимізації обробки деталей типу “куля” з таких матеріалів традиційним способом вкрай обмежені.
Крім того, традиційна технологія прецизійної обробки куль непридатна для обробки заготівок, які мають великі відхилення від сферичності. А саме така форма є характерною для спечених методом порошкової металургії заготівок куль з кераміки.
Також слід враховувати непридатність цієї технології для прецизійної обробки невеликих партій керамічних куль (30–500 штук). За сучасних умов ця задача виникає досить часто внаслідок того, що кулі з конструкційної кераміки мають високу зносостійкість і порівняно високу вартість. Тому великі партії куль одного розміру підприємствам замовляти економічно недоцільно. Обробка невеликих партій виключає можливість застосування елеваторної обробки, що призводить до значного збільшення різнорозмірності куль, яка може у 10 і більше разів перевищувати відхилення від сферичної форми.
На підставі критичного аналізу відомих рішень абразивної обробки деталей типу “куля”, зокрема керамічних, в кінці першого розділу визначено шляхи підвищення ефективності прецизійної алмазної обробки куль з конструкційної кераміки.
У другому розділі розглянуто умови проведення дослідів, описано показники, що досліджуються, методи та засоби їх визначення.
Обґрунтовано вибір методик проведення досліджень, визначено показники процесу доводки та методи їх вимірювання. Розроблено методику експериментального визначення граничних умов, при яких гарантовано стале протікання процесу без порушень, методику оцінки адекватності запропонованої математичної моделі кінематики, а також методику визначення приведених коефіцієнтів тертя.
Об’єктом дослідження виступали кулі з карбідів бору та кремнію, які підлягали доведенню розробленим способом прецизійної алмазної обробки, а також прецизійні керамічні кулі провідних закордонних виробників із карбіду бору, карбіду кремнію, нітриду бору, двооксиду цирконію та ін.
Для обробки куль було використано доводочну пасту, приготовану шляхом змішування з індустріальною оливою И-5А (ГОСТ ) алмазної пасти типу НОМГ (ГОСТ 25593-83) з алмазами АСМ та АС2 зернистістю від /1 до 80/63. Концентрація алмазів у доводочній пасті становила від 0,05 до 0,4 карат/мл.
Дослідження процесу доведення провадилося на спеціально розробленому пристрої для обробки куль та на досить широко розповсюдженому у підшипниковій промисловості верстаті моделі ВШД-3, який був модернізований для можливості обробки куль у канавках із змінною кривизною.
Для дослідження якості доведених куль застосовувалось обладнання, яке широко використовується для відповідних вимірювань: кругломіри Talyrond 73 (Taylor-Hobson), Formester MMQ 40 (Marh), MK-300 (Tesla); профілометри Talysurf 5M-120 (Taylor-Hobson), ВЭИ Калибр-201; оптичні довжиноміри ИЗВ-21, ИЗВ-1; растровий електронний мікроскоп BS Обробка результатів та виявлення закономірностей провадились за сучасними методиками обробки даних на ПЕОМ.
У третьому розділі на основі аналізу недоліків та переваг існуючих способів обробки, патентних матеріалів, досвіду та розробок провідних виробників куль запропоновано нову схему обробки деталей типу “куля” методом обкатки між двома дисками у напрямних канавках із змінною кривизною. Вона має певні переваги, насамперед дозволяє керувати положенням власної осі обертання куль і створює умови для можливості підвищення швидкостей ковзання у зоні обробки.
Як зазначалось вище, відсутність саме цих можливостей при обробці традиційним способом заважає здійснювати високоефективну прецизійну обробку куль з конструкційної кераміки.
На рис. зображено схему обробки куль в напрямних канавках зі змінною вздовж них кривизною. Завдяки зміні радіуса кривизни траєкторії, по якій переміщуються кулі, досягається можливість змінювати в процесі обробки положення власної осі їх обертання ОО, тому кулі здійснюють багатовісне обертання. При цьому їх сферична поверхня формується перехрещеними слідами обробки, що дозволяє підвищити якість.
Рис. . Cхема обробки куль у напрямній канавці зі змінною вздовж її кривизною.
Неспівпадання векторів швидкості руху ве-дучого диска Vд і куль Vк, що забезпечується криволінійною траєкторією переміщення останніх, приводить до збільшення швидкостей проковзування між їх поверхнями Vc. Внаслідок цього створюються умови для значного підвищення продуктивності, що особливо актуально для обробки куль з конструкційної кераміки.
Зміна кута атаки g (кута між напрямками векторів руху ведучого диску і куль) обумовлює зміну величини швидкості руху куль вздовж канавки. Тому при обробці партії куль з достатньо щільним заповненням або куль, розміщених у вузьких гніздах сепаратору, середня швидкість їх руху вздовж канавки буде нижчою, ніж при обробці куль, що розташовані з більшими зазорами між ними. Це пояснюється тим, що швидкість руху куль, які на певний момент рухаються з більшою швидкістю, буде обмежена швидкістю куль, які рухаються повільніше. Зменшення швидкості руху куль вздовж напрямної канавки додатково збільшує швидкість проковзування між поверхнями куль та притискного диска.
Безперервна зміна положення куль у радіальному напрямку (див. рис. ) сприяє зменшенню лінійного зносу q1д притискного диска за рахунок більш раціонального використання його площі і створює умови для значного зменшення різнорозмірності куль у партії внаслідок автоматичного вирівнювання їх діаметрів. Це дозволяє здійснювати прецизійну обробку невеликих партій куль, що є також важливим для обробки куль з конструкційної кераміки.
Змінюючи форму в плані напрямної канавки (траєкторію, по якій переміщуються кулі), а внаслідок цього і закон зміни радіуса кривизни вздовж неї, можна впливати на закономірність зміни кута нахилу власної осі обертання куль і кута між напрямками руху куль і ведучого диска у зонах їх контакту в процесі обробки.
Таким чином, при обробці куль в напрямних канавках зі змінною вздовж них кривизною є можливість керування процесом формування сітки слідів обробки на поверхні куль і величиною швидкостей проковзування між контактуючими поверхнями куль та інструменту, а тим самим якістю та продуктивністю обробки. Закономірність зміни радіуса кривизни напрямної канавки вздовж неї може бути розрахована і задана в кожному конкретному випадку окремо з урахуванням необхідних продуктивності, якості, режимів обробки, матеріалу і розміру куль та ін.
В четвертому розділі запропоновано математичну модель кінематики процесу прецизійної обробки куль, яка може бути застосована для аналізу обробки керамічних куль у напрямних канавках із змінною кривизною.
Як відомо, для отримання високої продуктивності і потрібної якості необхідно забезпечити оптимальну кінематику руху куль відносно інструменту в зоні обробки. У науковій літературі наведено кінематичні залежності, що можуть бути використані лише при обробці куль у кільцевих напрямних канавках, які є співвісними ведучому диску. Тому для оцінки впливу на кінематику процесу прецизійної обробки геометричних параметрів інструменту і тертя, що виникає у зонах контакту інструментів з кулями, було проведено математичний аналіз кінематики руху куль під час обробки методом обкатки з розташуванням куль в напрямній канавці.
При аналізі прийнято наступні допущення:
-
зняття припуску на обробку відбувається внаслідок відносного проковзування поверхонь куль та інструменту у зонах їх контакту;
-
довжина площадок контакту куль з боковими твірними напрямної канавки визначається величиною їх зносу;
-
форма зносу твірних напрямної канавки описується дугою кола радіусом, що дорівнює радіусу куль;
-
кулі, що підлягають обробці, є абсолютно твердими тілами;
-
поверхня інструменту у зонах його контакту з кулями розглядається як пружне підґрунтя Вінклера;
-
кулі під час обробки не торкаються одна одної.
Для спрощення математичного запису розглядалась зворотна схема обробки. Тобто приймалося, що нижній інструмент із напрямною канавкою — нерухомий, а верхній — ведучий.
На відміну від відомих робіт нами вперше враховано наявність тертя між поверхнями куль і інструментів через урахування приведених коефіцієнтів тертя та вплив характеру розподілу зусиль на площадках контакту (з урахуванням зносу) на кінематику руху куль під час обробки.
У результаті математичного аналізу схеми розподілу сил і швидкостей в зонах контакту (рис. 3) отримано систему рівнянь, яка являє собою математичну модель кінематики прецизійної обробки куль:
MA=MC+MB
dPB(fBb)=KЧdOЧsin(fBb-f0)
dPC(fCc)=KЧd0Чsin(fCc-f0)
Рис. . Схема розподілу сил і швидкостей в зонах контакту.
Вирішуючи цю систему рівнянь, можна знайти і визначити основні кінематичні параметри процесу доведення куль у кожній точці напрямної канавки: кут нахилу власної осі обертання куль, швидкість руху куль уздовж канавки, розподіл швидкостей ковзання і тисків по дугах контакту.
Наведені залежності було використано для оптимізації кінематичних параметрів і, таким чином, для поліпшення показників процесу прецизійного алмазного доведення куль.
Рис. . Сітка слідів обробки, при оптимальному контурі напрямної канавки.
З точки зору найменшого відхилення оброблених куль від сферичної форми необхідно, щоб кінематика руху кулі забезпечила покриття усієї її поверхні рівномірною і щільною сіткою слідів обробки. Для напрямної канавки, траєкторія якої складається зі спряжених між собою ділянок дуг кола, достатньо, щоб за час кочення по кожній з ділянок кількість напівобертів куль була непарною. Тобто (без урахування зносу і проковзування) для кожної ділянки з радіусом кривизни R, довжиною s і кутом розкриття канавки b необхідно забезпечувати виконання рівняння:
.
При обробці у канавці, кожна ділянка якої виконана у відповідності до цього рівняння, поверхня куль вкривається рівномірною сіткою слідів обробки (р).
Слід зауважити, що обробка куль в канавках зі змінною кривизною пов’язана з двома явищами, які треба враховувати. При конкретних умовах можливо порушення процесу обробки, тобто виникнення ситуації, коли кулі:
-
зупиняються в напрямній канавці;
-
викочуються з напрямної канавки по її твірних.
Ці явища не спостерігаються при традиційній обробці у кільцевих канавках, тому умови, при яких вони мають місце, раніше не вивчалися і у літературі відомості про них відсутні. Обидва явища викликані неспівпаданням напрямків руху куль і ведучого диска.
Куля під час обробки зупиниться, якщо момент обертання, що їй надається за рахунок обертання інструменту, почне дорівнювати або стане меншим суми моментів тертя між поверхнями кулі і твірних напрямної канавки. Виникнення цієї ситуації може бути викликано трьома причинами. По-перше, зменшенням до певної величини проекції сили тертя Pt на напрямок руху кулі Pttр), яка визначає величину моменту обертання, що відбувається при збільшенні величини куту атаки g. По-друге, збільшенням моментів тертя між поверхнями кулі і твірних напрямної канавки M (р) внаслідок зносу останньої. По-третє, зменшенням співвідношення приведених коефіцієнтів тертя поверхні кулі з притискним диском і твірними напрямної канавки mд/mк, що приводить до відповідного зменшення співвідношення між моментом обертання і сумою моментів тертя.
Рис. . Зміна тангенціальної складової сили тертя Ptt від величини кута g.
Викочуванню куль з напрямної канавки по її твірних сприяє збільшення до певної величини кута нахилу твірних bдив. р) та коефіцієнтів тертя mк і mд. Збільшення довжини контакту кулі з твірними напрямної канавки l (внаслідок їх зносу) запобігає викочуванню куль, оскільки це змінює умови контакту саме так, як і зменшення кута b.
Для визначення умов, при яких відбуваються порушення протікання процесу обробки куль, запропоновано нерівності:
- у випадку, коли рух куль в напрямній канавці буде зупинятися:
;
Рис. . Моменти і сили тертя при обробці куль у канавках із змінною кривизною.
- у випадку, коли кулі будуть викочуватись з напрямної канавки:
.
Ці нерівності визначають діапазон можливих значень геометричних параметрів інструменту і, таким чином, на попередніх етапах проектування інструменту можуть виступати у якості критеріїв його працездатності у певних умовах.
За результатами аналізу математичної моделі кінематики прецизійної обробки розроблено інструменти для прецизійної алмазної обробки керамічних куль з оптимальними з точки зору якості обробки (забезпечення формування сферичної поверхні рівномірною сіткою слідів обробки) траєкторіями напрямних канавок, а також інструменти для експериментальної перевірки адекватності цієї математичної моделі. На рис. 7 представлено інструменти з напрямними канавками таких форм:
1.
Зі спряжених елементів, виконаних по спіралі Архімеда (див. рис. , а). Цей інструмент характеризується майже незмінною, крім ділянок спряження, величиною кута атаки вздовж напрямної канавки. Як зазначалося раніше, чим вона більша, тим більша продуктивність обробки, а при перевищенні певного значення процес обробки порушується (кулі перестають рухатись вздовж канавки). Тому інструмент, напрямна канавка якого має кут атаки, близький до критичного (дещо менший), характеризується найбільш високими швидкостями ковзання у зонах обробки (рис. , а)), що забезпечує найбільшу продуктивність обробки.
а) |
б)
в) |
г)
Рис.. Інструментальні диски з напрямними канавками різних форм.
2.
Зі спряжених елементів, виконаних по експоненті (див. рис. 7, б). Обробка із застосуванням такого інструменту характеризується майже незмінною, крім ділянок спряження, швидкістю кочення куль вздовж напрямної канавки (див. рис. , б)). Це в певних умовах сприяє підвищенню якості прецизійної обробки, оскільки значно зменшує взаємне тертя куль одна об одну.
3.
У вигляді квадрата з округлими кутами (рис. 7, в). Інструментальний диск з такою напрямною канавкою призначений для експериментального підтвердження достовірності розробленої математичної моделі кінематики.
4.
Зі спряжених дуг кола і максимальним кутом атаки напрямної канавки 90° (рис. 7, б). Інструмент з такою канавкою дозволяє регулювати максимальне значення дійсного кута атаки за рахунок кільцевої проточки на верхньому (плоскому) інструменті і експериментально дослідити вплив величини цього кута на працездатність інструменту.
Як свідчить рис. 8, кожний з інструментів забезпечує швидкість ковзання у зоні обробці значно більшу (до 48 та 36 м/хв, відповідно), ніж інструмент з кільцевою напрямною канавкою (до 5 м/хв, див. рис. 1). Це підтверджує зроблений у третьому розділі висновок, що обробка куль у напрямних канавках змінної кривизни дозволяє значно збільшити швидкості ковзання в зонах обробки. Оскільки продуктивність обробки у значній мірі визначається цією швидкістю, настільки значне збільшення швидкості ковзання дозволяє стверджувати, що обробка куль в напрямних канавках зі змінною кривизною забезпечує значне підвищення продуктивності.
У п’ятому розділі наведено експериментальні залежності показників прецизійної алмазної обробки куль з карбіду бора та кремнію від режимних параметрів обробки, конструктивних характеристик інструменту та властивостей матеріалу куль. Експериментально підтверджено достовірність розробленої математичної моделі кінематики прецизійної обробки куль.
З метою визначення діапазону режимних параметрів, при якому можна досягти високих показників продуктивності і якості прецизійної алмазної обробки керамічних куль запропонованим способом, було проведено ряд багатофакторних експериментів, в результаті яких визначені: продуктивність обробки, витрати алмазів, термін обробки та її точність в залежності від конструкційних параметрів інструменту, швидкості обертання інструменту, робочого зусилля притиснення, зернистості та концентрації алмазів у доводочній пасті.
В результаті проведення експериментів встановлено, що використання у складі доводочної пасти алмазів зернистості, меншої 7/5, не приводить до суттєвого покращення якості обробки і значно знижує її продуктивність.
Концентрація алмазів у доводочній пасті, при якій їх витрати мінімальні, залежить від зернистості (рис. , а). Чим вона більше, тим вищою повинна бути концентрація алмазів. Це пов’язано з тим, що зняття припуску здійснюється у результаті мікродряпання та співударяння із заготівкою окремих зерен алмазів, при цьому кількість алмазних зерен має більший вплив на процес обробки, ніж їх розмір. Концентрація алмазів у доводочній пасті, при якій їх витрати мінімальні, становить від 0,1 до 0,3 карат/мл (для зернистості відповідно від 3/1 до 80/63). При доведенні куль у кільцевих канавках ця залежність менш відчутна, оскільки обробка провадиться при більш високому робочому тиску і характеризується низькими швидкостями у зонах контакту кулі з інструментом, внаслідок чого алмазні зерна інтенсивно роздроблюються та перемелюються.
Доведення при швидкостях обертання ведучого диска, близьких до 50 об/хв, відповідає найменшим витратам алмазів. А обробка при швидкостях обертання більше 60 об/хв приводить до значного підвищення витрат алмазів, особливо при використанні зернистостей більше 7/5 (рис. 9, б). Це пояснюється тим, що густина доводочної пасти при однаковій концентрації алмазів помітно нижча для високих зернистостей, що пов’язано зі способом її приготування (див. розділ 2). Як наслідок цього, у результаті дії відцентрових сил доводочна паста викидається з напрямної канавки. Крім того, при високих швидкостях обертання ведучого диска якість обробки дещо знижується внаслідок зростання вібрацій.
Аналіз впливу зусилля притиснення у діапазоні 10–80 Н/кулю на продуктивність доведення вказує на наявність зв’язку між ними, близького до лінійного. А встановлена залежність витрати алмазів від зусилля притиснення засвідчила наявність оптимального значення близько Н/кулю і значне збільшення витрат алмазів при зусиллі притиснення більше 60 Н/кулю та використанні зернистостей більше 28/20 (рис. 9, в).
У якості експерименту запропонованим способом доведення оброблено партію сталевих куль. При цьому продуктивність обробки була значно вищою (5–10 разів), ніж при обробці у кільцевих напрямних канавках. Результати експерименту дозволяють зробити висновок про перспективність застосування запропонованого методу обробки для високоефективної обробки не тільки керамічних, але й сталевих куль.
У шостому розділі представлено технологічну документацію (технічне завдання “Кулі керамічні для підшипників”, комплект креслень інструментів), а також проведено порівняльний аналіз прецизійних способів доведення керамічних куль у канавках із змінною кривизною та кільцевих канавках (базовий спосіб) при обробці куль з кераміки, які призначені для застосування у клапанах “куля-сідло” насосів високого тиску для добування нафти та керамічних підшипниках кочення.
Результати аналізу (таблиця) засвідчують значне зростання продуктивності та точності обробки при одночасному зниженні витрат алмазів та зносу інструменту. При цьому мінімальний припуск на обробку (достатній для досягнення максимальної точності) розробленим способом у два рази менше, а шорсткість поверхні оброблених куль однакова при використанні обох способів.
Таблиця
Результати порівняльного аналізу прецизійних способів доведення
керамічних куль діаметром 17,462 мм із карбіду бора
Найменування
показників | Одиниця
виміру | Базовий
процес | Розроблений
процес
Швидкість зняття припуску на обробку | мкм/год | 2–5 | 10–80
Мінімальний припуск на обробку | мкм | 80–110 | 40–60
Відхилення від сферичної форми | мкм | 1–2 | 0,3–0,6
Різнорозмірність куль по діаметру в партії | мкм | 3–7 | 0,3–0,5
Шорсткість поверхні, Ra | мкм | 0,06 | 0,06
Відносний знос притискного інструменту | мм3/мм3 | 0,6–0,8 | 0,4–0,5
Стійкість диска з напрямною канавкою | шт | 1000 | 2000
На підставі результатів досліджень розроблено рекомендації щодо вибору конструктивних параметрів інструменту та режимів прецизійної алмазної обробки деталей типу “куля” з конструкційної кераміки.
Запропоновані спосіб обробки, пристрій для його реалізації та інструмент захищені 3 патентами України на винахід.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
В результаті проведених досліджень вирішено важливу науково-технічну задачу суттєвого підвищення ефективності процесу прецизійної алмазної обробки деталей типу “куля” з керамічних матеріалів за рахунок цілеспрямованої зміни положення власної осі їх обертання та напрямку руху куль відносно напрямку руху інструменту в зоні їх контакту під час обробки.
Основні наукові та практичні результати:
1.
Розроблено математичну модель кінематики прецизійної обробки куль в канавці зі змінною вздовж неї кривизною та визначено критерій оптимальності напрямної канавки. Це дозволяє розрахувати оптимальну форму напрямної канавки для конкретних умов.
2.
Запропоновано критерії, які дозволяють при проектуванні нових технологічних процесів значно зменшити кількість попередніх випробувань працездатності інструменту. Ці критерії дозволяють визначити працездатність інструменту у конкретних умовах обробки і полягають у визначенні і порівнянні моментів обертання кулі і моментів тертя її об інструмент.
3.
Керована зміна в процесі обробки положення власної осі обертання куль та напрямку їх руху відносно напрямку руху ведучого диска дозволяє значно підвищити ефективність процесу прецизійної обробки керамічних куль. Зміна положення власної осі обертання куль сприяє покриттю їх поверхні рівномірною сіткою слідів обробки і тим самим підвищенню якості обробки. Неспівпадання векторів руху кулі та ведучого диска в точці їх контакту забезпечує збільшення швидкостей проковзування між їх поверхнями, що приводить до значного підвищення продуктивності обробки.
4.
Розроблено спосіб обробки куль і пристрій для його реалізації, що дозволяє значно підвищити продуктивність і якість обробки.
5.
Вдосконалено технологічний процес прецизійної обробки куль з кераміки на основі карбіду бору та кремнію для застосування у клапанах “куля-сідло” насосів високого тиску для добування нафти і виготовлення прецизійних керамічних підшипників. Нова технологія дозволила підвищити продуктивність обробки у середньому в 12,8 раз та досягти високої точності обробки куль (відхилення від сферичної форми не більше 0,3 мкм).
6.
Уперше отримано залежності впливу конструкційних параметрів інструменту, режимних параметрів обробки (зусилля притиснення, швидкості обертання інструменту, зернистості алмазної доводочної пасти) та властивостей матеріалу заготівок куль на якість та продуктивність обробки, відносні витрати алмазів.
7.
За результатами дослідження розроблено практичні рекомендації щодо ефективного застосування процесу прецизійної алмазної обробки і вибору раціональних режимів обробки і геометричних параметрів інструменту.
Основні результати висвітлено у наступних публікаціях:
1.
Пасичный О. О. Технология доводки деталей типа шар // Современные процессы механической обработки и качество поверхности деталей машин: Сб. науч. тр. — К.: ИСМ НАН Украины, 1998. — C. –88.
2.
Шепелев А. А., Лавриненко В. И., Пасичный О. О. Особенности алмазной обработки карбидных керамик, применительно к изделиям типа шарРезание и инструмент в технологических системах. — 1999. — Вып. . — С. –241.
3.
Шепелев А. А., Пасичный О. О. Алмазные инструменты для обработки деталей типа “шар” из конструкционной керамики // Алмазовмісні композиційні, матеріали для виготовлення інструменту: Збірка наук. праць. — К.: ІНМ НАН України, 1999. — C. -–30.
4.
Шепелев А. О., Пасичный О. О. Технология алмазной обработки деталей типа “шар” из конструкционной керамики // Сверхтвердые материалы. — 2000. — № 2. — С. 81–84.
5.
Пасичный О. О. Кинематический анализ процесса доводки шаров // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. — 2000. — Вып. . — С. 72–76.
6.
Пасичный О. О. Анализ кинематики доводки шаров // Резание и инструмент в технологических системах. — 2000. — Вып. 57. — С. 186–190.
7.
Шепелев А. А., Лавриненко В. И., Пасичный О. О. Производительная обработка прецизионных керамических деталей типа “шар” // Надійність машин та прогнозування їх ресурсу: Доповіді міжнародної науково-технічної конференції. — Івано-Франківськ: Факел, 2000, Том 2. — С. 518–526.
8.
Шепелев А. О., Пасичный О. О. Математическая модель кинематики прецизионной алмазной обработки шаров подшипников из конструкционной керамики // Вісник Інженерної академії України. — 2000. — №3. — С. 387–390.
9.
Шепелев А.А., Пасичный О.О., Лавриненко В.И. Прецизионная алмазная обработка керамических шаров: показатели качества // Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение: материалы международной научно-технической конференции. — К.: ИСМ НАН Украины, 2001. — С. 178–179.
10.
Пасичный О. О., Теоретический анализ кинематики процесса доводки шаров // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: Збірка наук. праць (серія Г). — К.: ІНМ НАН України, 2001. — C. 87–97.
11.
Патент 32313 А Україна, МКІ В 24В 11/02. Спосіб обробки кульок, та пристрій для його реалізації / Шепелєв А. А., Пасічний О. О; ІНМ НАН України. — № 9041838, Заявлено 01.04.99; Опубл. 15.12.2000. Бюл. №7. — 11 с.
12.
Патент 34313 А Україна, МКІ В 24В 11/02. Інструментальний диск для обробки куль / Шепелєв А. А., Пасічний О. О; ІНМ НАН України. — № 99063567, Заявлено 24.06.99; Опубл. 15.02.2001. Бюл. №1.
13.
Патент 34322 А Україна, МКІ В 24В 11/02. Пристрій для обробки куль / Шепелєв А. А., Пасічний О. О; ІНМ НАН України. — № , Заявлено 15.06.99; Опубл. 15.02.2001. Бюл. №1.
14.
Шепелев А. А., Пасичный О. О. Алмазное шлифование шаров из конструкционной керамикиПроцессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Сб. трудов конф. — Волжский: ВИСИ, 1997. —С. –101.
15.
Шепелев А. А., Лавриненко В. И., Целина В. В., Пасичный О. О. Прецизионная алмазно-абразивная обработка инструментальных и композиционных материалов // Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва: праці міжн. наук.-техн. конф. — Київ: НТТУ “КПІ”, 1998, Том— С. –403.
16.
Шепелев А. А., Пасичный О. О. Технология алмазной обработки деталей типа “шар” из конструкционной керамики // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: сб. трудов конф. — Волжский: ВИСИ. — 1998. — С. –183.
17.
Шепелев А. А., Пасичный О. О. Технология прецизионной алмазной обработки деталей типа “шар” из гетерофазных конструкционных материалов // Современные материалы, оборудование и технологии восстановления деталей машин: Тематич. сб. — Новополоцк: Полоцкий государственный университет, 1999. — С. –318.
18.
Шепелев А. А., Пасичный О. О. Прецизионная алмазная обработка деталей типа “шар” из гетерофазных конструкционных материалов // Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении: тезисы докладов междун. семинар-выставка. — К.: АТМ Украины, 1999. — С. 153–154.
19.
Шепелев А. А., Пасичный О. О. Обработки деталей типа “шар” из конструкционной керамики // Композиционные материалы в промышленности: тезисы докладов межд. сем.-выст. — К: АТМ Украины, 1999. — С. 198–199.
20.
Пасичный О. О. Прецизионная обработка деталей типа “шар” // Сучасне машинобудування. — 1999. — № 1. — С. 66–74.
21.
Шепелев А. А., Лавриненко В. И., Пасичный О. О. Технология алмазной обработки изделий из конструкционных и инструментальных керамик // Керамика-99. Инновационно-инвестицион-ные возможности международного сотрудничества: Тез. докладов. — К.: Всеукраинская ассоциация экономического и культурного сотрудничества, 1999. — С. –59.
22.
Шепелев А. А., Лавриненко В. И., Пасичный О. О. Керамические шаровые клапаны нефтяных насосов: алмазная обработка, новые технологии и материалы // Проблемы машиностроения на пороге XXI века: Материалы докладов международной научно-технической конференции. — Баку: Чашыоглы, 2000. — С. 33–35.
АНОТАЦІЯ
Пасічний О. О. Підвищення ефективності алмазної обробки деталей типу “куля” з конструкційної кераміки. — Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 — Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, Київ, 2001.
Дисертацію присвячено питанню підвищення ефективності процесу прецизійної алмазної обробки деталей типу “куля” з конструкційної кераміки за рахунок керованої зміни в процесі обробки положення власної осі обертання куль та збільшення швидкостей ковзання між поверхнями куль та інструменту в зонах контакту. Для реалізації цього обробку ведуть із застосуванням розробленого інструменту — диска з напрямними канавками зі змінної вздовж них кривизною.
Розроблено математичну модель кінематики прецизійної обробки. Запропоновано критерії оцінки оптимальності форми напрямної канавки та працездатності інструменту в конкретних умовах обробки.
У результаті проведення багатофакторних експериментів визначено вплив конструкційних параметрів інструменту та технологічних параметрів на продуктивність і термін обробки, її точність, витрати алмазів.
На підставі результатів досліджень розроблено рекомендації щодо використання запропонованої технології прецизійної обробки куль з конструкційної кераміки.
Ключові слова: шліфування, доводка, технологія, кінематика, куля, кераміка, прецизійність, продуктивність.
АННОТАЦИЯ
Пасичный О. О. Повышение эффективности прецизионной алмазной обработки деталей типа “шар” из конструкционной керамики. — Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 — Процессы механической обработки, станки и инструменты. Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2001.
Диссертация посвящена решению задачи повышения
