НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля

Скрябін Віктор Валерійович

УДК 621.923

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПОЛІРУВАННЯ ВИРОБІВ З

АЛЮМОСИЛІКАТНИХ МАТЕРІАЛІВ

05.03.01 — Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ — 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ.

Науковий керівник: | доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Філатов Юрій Данилович,

Інститут надтвердих матеріалів НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Рогов Валентин Васильович,

Інститут надтвердих матеріалів НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук, доцент

Гусєв Володимир Владиленович

Донецький національний технічний університет

Провідна установа: | Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”,

кафедра “Інструментальне виробництво”

Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “20” січня 2005 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 “16 ” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор |

Майстренко А. Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи обумовлена широким використанням алюмосилікат-них матеріалів (керамічні граніти, поділкове каміння) для виготовлення виробів будівельної промисловості та декоративного призначення.

Традиційна вітчизняна технологія полірування поверхонь виробів з алюмосилікатних матеріалів (АМ) пастами на основі оксиду хрому характеризується значною витратою дорогих полірувальних порошків та несприятливими умовами праці робочого персоналу.

Альтернативою технології полірування пастами є технологія полірування інструментами зі зв’язаним полірувальним порошком. Лідерами в області розробки інструментів зі зв’язаним полірувальним порошком є італійські фірми. Однак висока вартість інструментів італійського виробництва значно обмежує їх використання на каменеоброблюючих підприємствах України.

Для полірування виробів з АМ в Інституті надтвердих матеріалів НАН України розроблені алмазні полірувальні головки (АГП). Використання АГП дозволяє забезпечити високу продуктивність обробки, але якість полірованих ними поверхонь виробів з АМ поступається якості виробів закордонних фірм.

В Інституті надтвердих матеріалів НАН України розроблено технологію і полірувальний інструмент “Аквапол” для прецизійного полірування поверхонь виробів з кремнеземвміщуючих матеріалів (скла і кварцу). Застосування розробленого інструменту при обробці виробів з АМ дозволяє отримувати поверхні високої якості, але процесс полірування характеризувався низькою продуктивністю.

Виходячи з вищевказаного, розробка інструменту для здійснення процесу полірування виробів з АМ, який дозволяє досягти високу якість полірованих поверхонь за умови забезпечення високої продуктивності полірування є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України відповідно до відомчих тем 1.6.7.1856 (№ державної реєстрації 0100U004915) та 1.6.7.1954 (№ державної реєстрації 0103U006665) науково-дослідних робіт ІНМ НАН України.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності полірування виробів з алюмосилікатних матеріалів на основі досліджень механізму зняття оброблюваного матеріалу, аналіз закономірностей формування мікрорельєфу полірованої поверхні та розробка спеціальної конструкції і характеристики робочого шару інструменту.

Задачі дослідження, які необхідно було вирішити для досягнення поставленої мети:

1. На основі рівняння зносу робочого шару інструмента, що враховує як режимні параметри обробки, так і конструктивні параметри інструмента, здійснити аналіз впливу кінематичних параметрів обробки на рівномірність зносу робочого шару інструменту для основних типів обладнання, яке використовується у промисловості каменеобробки;

2. Обґрунтувати розподіл функціональних елементів в робочому шарі інструменту, що забезпечує його рівномірний знос в процесі обробки плоских поверхонь виробів з АМ на шліфувально-полірувальних верстатах з планетарним рухом інструментів;

3. Розробити модель фрагменту структури АМ і при врахуванні багаточастотного характеру взаємодії матеріалів інструмента й оброблюваного виробу в процесі полірування поширити кластерну модель зносу на алюмосилікатні матеріали;

4. Розробити склад для виготовлення елементів робочого шару полірувального інструменту, використання яких забезпечить досягнення високої якості полірованої поверхні виробів з АМ за високої продуктивності полірування;

5. Розробити методику контролю якості оброблених поверхонь виробів з АМ за коефіцієнтом відбиття світла, що характеризується високою точністю вимірювань;

6. Розробити методику оцінки повноти прояву ідіохроматичного забарвлення полірованих поверхонь виробів з АМ;

7. На основі результатів досліджень розробити рекомендації зі здійснення процесу полірування плоских поверхонь виробів з АМ;

8. Провести дослідно-промислову перевірку й впровадження розробленого інструмента й технологічного процесу полірування виробів з АМ у виробництво.

Об'єктом дослідження в роботі є процес полірування плоских поверхонь виробів з алюмосилікатних матеріалів.

Предмет дослідження – закономірності зносу інструмента, зняття оброблюваного матеріалу й утворення мікрорельєфу обробленої поверхні виробів з АМ у процесі полірування інструментом зі зв'язаним полірувальним порошком.

Методи дослідження - теоретичні й експериментальні дослідження ґрунтувалися на основних положеннях теорії тертя, теорії міжмолекулярної взаємодії, фізики твердого тіла, оптики, теорії машин і механізмів, математичної фізики й статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Для теоретичного аналізу впливу структури АМ на шорсткість оброблених поверхонь запропонована модель фрагмента структури АМ Me[AlSi3O8], яка з урахуванням багаточастотної взаємодії матеріалів інструмента й оброблюваного виробу в зоні обробки дозволила значно підвищити точність розрахунку величини параметру шорсткості Ra полірованих поверхонь виробів з АМ;

2. Вперше встановлено, що при поліруванні поверхонь виробів з АМ величина параметра шорсткості Ra зменшується при збільшенні різниці частот власних коливань Дщ фрагментів оброблюваного матеріалу Me[AlSi3O8] та фрагментів матеріалу робочого шару інструменту CeO2 або Al2O3 за гіперболічним законом , а продуктивність полірування збільшується зі зменшенням різниці частот власних коливань за лінійним законом ;

3. Вперше запропоновано рівняння для розрахунку інтенсивності зносу робочого шару інструменту в колових зонах, яке поряд з режимними параметрами обробки в явному вигляді враховує коефіцієнт заповнення поверхні інструменту робочим шаром ki(r);

4. Встановлено, що для досягнення високої рівномірності зносу робочого шару інструмента (коефіцієнт рівномірності зносу у = 0,10 ± 0,04) при обробці виробів з АМ на шліфувально-полірувальному верстаті з планетарним рухом інструментів коефіцієнт заповнення поверхні інструмента робочим шаром повинен зростати зі збільшенням радіуса колових зон r за параболічним законом ki(r)=138,2Ir2 + 0,46.

Практична цінність одержаних результатів:

1. Розроблено склад робочого шару інструменту на основі полірувального порошку оксиду алюмінію й зв’язуючого - поліетилентерефталату (ПЕТФ) для полірування поверхонь виробів з АМ;

2. Обґрунтовано спеціальну конструкцію робочого шару інструмента для обробки плоских поверхонь виробів з АМ на мостовому шліфувально-полірувальному верстаті з планетарним рухом інструментів, що забезпечує його рівномірний знос;

3. Розроблено нову методику контролю якості полірованих поверхонь виробів з АМ за коефіцієнтом відбиття світла, що характеризується високою точністю вимірювань;

4. Розроблено нову методику оцінки повноти прояву ідіохроматичного забарвлення полірованих поверхонь виробів з АМ за допомогою оптичних методів;

5. Розроблено рекомендації зі здійснення фінішної обробки плоских поверхонь виробів з алюмосилікатних матеріалів на мостових шліфувально-полірувальних верстатах новими інструментами;

6. Здійснено дослідно-промислові випробовування й впровадження розробленого інструмента у виробництво.

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі наведені результати досліджень, які отримані за безпосередньої участі автора.

Особистий внесок автора полягає в наступному:

- розробці методик досліджень;

- аналізі й узагальненні отриманих результатів;

- розробці моделі алюмосилікатного фрагмента Me[AlSi3O8] структури виробів з АМ, аналізі багаточастотної взаємодії матеріалів інструменту і виробу, що оброблюється і поширенні кластерної моделі зносу на процес полірування алюмосилікатних матеріалів;

- розробці характеристики робочого шару полірувального інструменту на основі полірувального порошку оксиду алюмінію та зв’язуючого ПЕТФ;

- обґрунтуванні конструкції робочого шару інструмента для тонкого алмазного шліфування (ТАШ), супертонкого алмазного шліфування (СТАШ) і полірування поверхонь виробів з АМ, що забезпечує рівномірний знос робочого шару інструменту в процесі фінішної обробки на мостових шліфувально-полірувальних верстатах з планетарним рухом інструментів;

- теоретичних й експериментальних дослідженнях закономірностей утворення мікрорельєфу полірованих поверхонь виробів з АМ;

- розробці методики оцінки повноти прояву ідіохроматичного забарвлення полірованих поверхонь виробів з АМ;

- розробці технічної документації й виготовленні дослідних зразків інструментів для фінішної обробки поверхонь виробів з АМ;

- розробці практичних рекомендацій, лабораторних і промислових випробуваннях і впровадженні у виробництво розробленого процесу фінішної обробки й інструментів для його здійснення.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних конференціях, симпозіумах, семінарах: “Прогрессивные технологии в машиностроении” (2000 р., м. Одеса, Україна), “Технология ремонта машин, механизмов, оборудования” (2000 р., м. Ялта), “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (2000 р., 2001 р., 2002 р., м. Донецьк, Україна), “Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении” (2001 р., м. Київ, Україна), “Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение” (2001 р., м. Київ, Україна), “22 Miedzynarodowe sympozjum naukowe studentow I mlodych pracownikow nauki” (2001 р., м. Зелена Гура, Польща), “Евріка-2001” (2001 р., м. Львів, Україна), Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении” (2003 р., 2004 р., м. Свалява, Україна), “Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении” (2003 р., м. Запоріжжя, Україна), “Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин” (2003 р., м. Київ).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 16 наукових робіт, серед яких – 6 статей в фахових виданнях, затверджених ВАК України, 8 тез доповідей на науково-технічних конференціях, семінарах, симпозіумах, конгресах і 2 патенти України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаних джерел, що нараховує 131 найменування бібліографії, 9 додатків. Повний обсяг дисертації складає 205 сторінок, основна частина викладена на 138 сторінках, включає 16 таблиць, 59 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи.

В першому розділі розглянуті особливості будови природних і штучних АМ, існуючі теорії полірування, обладнання та інструменти, методи контролю якості полірованих поверхонь. Сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну й практичну цінність.

З точки зору мінералогічного складу, основним класом мінералів, які утворюють АМ є силікати та їх різновид – алюмосилікати. У хімічному складі АМ домінують оксиди кремнію та алюмінію. При цьому відсотковий вміст оксиду алюмінію може досягати 30 %.

Дослідженню впливу структури оброблюваного матеріалу на продуктивність полірування та параметри шорсткості полірованої поверхні для випадку полірування кремнеземвміщуючих матеріалів (скла та кварцу) присвячені роботи В.В. Рогова та Ю.Д. Філатова, які на основних засадах теорії втомного зносу розробили кластерну модель зносу, що дозволяє теоретично розраховувати величину продуктивності полірування і параметри шорсткості полірованої поверхні. Однак безпосереднє використання розробленої моделі для випадку полірування АМ дає незадовільні результати. Так, при розрахунку продуктивності полірування та параметрів шорсткості спостерігаються значні відхилення теоретичних і експериментальних результатів (до 3-5 разів).

Процес полірування поверхонь виробів з АМ традиційно реалізується на радіально-консольних шліфувально-полірувальних станках. Недоліком останніх є низька продуктивність обробки виробів. В останній час на каменеобробних підприємствах України почали використовувати високопродуктивні автоматичні лінії, шліфувально-полірувальні верстати (мостові, портальні) з планетарним рухом інструментів та ін. Аналіз літературних джерел дозволяє зробити висновок про відсутність вітчизняного полірувального інструмента, характеристика якого б забезпечила високу якість полірованої поверхні за високої продуктивності полірування, а конструкція – високу рівномірність зносу при обробці на новому високопродуктивному обладнанні.

Аналіз літературних джерел показав вкрай обмежену кількість робіт, присвячених дослідженням закономірностей полірування виробів з АМ, а саме: дослідженням закономірностей зняття оброблюваного матеріалу, зносу робочого шару інструменту, утворення мікрорельєфу полірованої поверхні, на основі яких ґрунтується розробка характеристики і конструкції робочого шару полірувального інструменту.

При поліруванні виробів з АМ якість оброблених поверхонь традиційно визначається візуально за дзеркальним блиском та чіткістю відображення предметів. Недоліком методу є його суб’єктивність. Для об’єктивної оцінки якості полірованих поверхонь необхідно здійснювати оцінку якості за параметрами шорсткості, відбиваючою здатністю та повнотою прояву ідіохроматичного забарвлення полірованої поверхні. Для цього необхідно використовувати як стандартні методики так і розробити нові.

У другому розділі розглянуто умови проведення дослідів, описано показники, що досліджуються, методи та засоби їх визначення.

В роботі досліджувалися природні та штучні АМ, які підлягали тонкому алмазному шліфуванню, супертонкому алмазному шліфуванню інструментами з алмазного порошку зернистістю від 80/63 до 10/7 і поліруванню інструментами на основі полірувальних порошків: оксиду алюмінію і двооксиду церію та зв’язуючого - поліетилентерефталату (ПЕТФ).

В якості показників ефективності полірування використовувались: продуктивність обробки, інтенсивність зносу робочого шару інструменту, параметри шорсткості полірованої поверхні Ra, Rz, Rmax, коефіцієнт рівномірності зносу робочого шару, коефіцієнт відбиття світла обробленою поверхнею на довжині хвилі = 530 нм, повнота проявлення ідіохроматичного забарвлення оброблюваного матеріалу.

ТАШ, СТАШ і полірування здійснювалося на обладнанні, яке широко використовується для обробки плоских поверхонь виробів з АМ (шліфувально-полірувальні верстати мод. 3ШП-320 та СМР – 013).

Для дослідження спектроскопічних характеристик досліджуваних матеріалів і полірувальних інструментів використовувався спектрометр “Specord-M-80” (Carl Zeiss, Jena).

Для дослідження хімічного складу оброблюваних матеріалів використовувався растровий електронний мікроскоп "Camskan – DV" (Великобританія) з приставкою для рентгеноспектрального аналізу "Link-860".

Дисперсійний аналіз полірувальних порошків здійснювався на установках SEISHIN LMS-30 та Dialnspect. OSM “ Vollstadt Diamant GmbH”.

Для контролю шорсткості полірованих і шліфованих поверхонь виробів з АМ використовувались профілометри Talysurf 5M-120 (Taylor-Hobson, Великобританія) та Perthometer Concept (Mahr, Німеччина).

Для вимірювання інтенсивності відбитого світла на довжині хвилі 530 нм використовувалася установка на базі лазера.

Для оцінки повноти проявлення ідіохроматичного забарвлення оброблюваного матеріалу використовувалися спектри відбиття і розсіювання світла, які реєструвалися у видимому діапазоні спектру на довжинах хвиль 400–680 нм.

У третьому розділі наведені результати дослідження впливу кінематичних параметрів обробки на характер зносу робочого шару інструменту і його рівномірність.

Ефективність обробки виробів з АМ в значній мірі визначається умовами контакту поверхонь інструменту і виробу. Максимальна продуктивність обробки і найвища якість оброблених поверхонь досягаються при максимальній площі контакту поверхонь робочого шару інструменту і виробу, що стабільно забезпечуються тільки у випадку рівномірного зносу робочого шару інструменту. Тобто інтенсивність зносу робочого шару інструменту в колових зонах радіусу r повинна буди сталою ( V(r) = const ).

Для розрахунку інтенсивності зносу інструмента в колових зонах радіуса r з урахуванням коефіцієнту заповнення його поверхні робочим шаром ki(r) (шліфувальними і полірувальними елементами) запропоновано рівняння:

, (1)

в якому pа(r)– розподіл номінального тиску притискання інструменту до оброблюваної поверхні за коловими зонами, Па; S(r) - довжина шляху тертя елемента робочого шару інструмента, розташованого в коловій зоні радіуса r, по оброблюваній поверхні виробу, м; k1- коефіцієнт пропорційності, .

Рівняння зносу (1) враховує в явному вигляді як режимні параметри обробки, так і коефіцієнт заповнення ki(r), який визначає густину заповнення поверхні інструмента робочим шаром в колових зонах радіусу r.

Для розрахунку шляху, що проходить елемент робочого шару інструменту по оброблюваній поверхні, використано матричний метод, який полягає в тому, що рухи інструменту і виробу, а також їх взаємне положення задаються за допомогою матриць, добуток яких - вектор-стовпець координат елемента x(t), y(t) відносно вихідної системи координат визначає траєкторію його руху.

Рівномірність зносу робочого шару інструменту характеризувалась коефіцієнтом рівномірності у, який визначався за формулою:

,

де Vmin та Vmax - мінімальне і максимальне значення інтенсивності зносу робочого шару інструмента відповідно.

Експериментальна перевірка результатів розрахунків здійснювалась за даними вимірів величини зносу робочого шару інструменту в колових зонах радіусу r при поліруванні плоских поверхонь виробів з АМ на верстаті мод. 3ШП-320 інструментом з суцільним робочим шаром (ki(r)=1). Показано, що знос робочого шару інструменту відбувається більш інтенсивно в його центральних зонах (рис. 1), а похибка теоретичного розрахунку його величини лежить у межах 10 %.

В ході аналізу впливу кіне-матичних параметрів оброб-ки на рівномірність зносу інструменту показано, що з всіх розглянутих схем обробки найбільш рівномір-ним зносом робочого шару інстру-менту характеризується схема оброб-ки, яка реалізується на мостових шліфувально-поліру-вальних верстатах з планетар-ним рухом інструментів (у = 0,46, табл. 1), що обумовлено більш рівномірним розподілом шляху тертя в колових зонах інструменту. |

Рис. 1. Залежність приведеної інтенсивності зносу ро-бочого шару інструменту від радіуса коло-вих зон (1- експериментальна, 2- розрахун-кова) | Таблиця 1

Величина коефіцієнту рівномірності зносу робочого шару інструменту |

Схема обробки | Радіально-консольний

верстат

мод. ВШ-28 | Автоматична лінія | Оптичний шліфувально-полірувальний верстат

мод. ШП-320 | Мостовий

верстат мод. СМР–013

з планетарним рухом інструментів | 0,89 | 0,87 | 0,91 | 0,46 | В результаті проведених досліджень зроблено висновок про те, що ні одна з розглянутих кінематичних схем обробки сама по собі не може забезпечити високу рівномірність зносу робочого шару інструменту. Мінімальне значення коефіцієнту рівномірності може бути досягнено за рахунок розробки спеціальної конструкції інструменту. Нова конструкція інструменту розроблялася для схеми обробки виробів з АМ, що реалізується на мостових верстатах з планетарним рухом інструментів. Ця схема характеризується високою швидкістю відносного руху інструменту і виробу, що оброблюється, а отже забезпечує високопродуктивний процес полірування (шліфування) у порівнянні з іншими схемами обробки.

Четвертий розділ присвячено дослідженню закономірностей полірування виробів з АМ, розробці характеристики полірувального інструменту і конструкції його робочого шару.

Виходячи з аналізу будови алюмосилікатних матеріалів та з урахуванням їх хімічного складу, для опису структури АМ запропоновано модель алюмосилікатного фрагмента Me[AlSi3O8], хімічна формула якого відповідає хімічній формулі найбільш розповсюдженого в природі алюмосилікатного мінералу – польового шпату (рис. 2).

Число алюмосилікатних фрагментів в кластері для АМ розраховується в залежності не від однієї пари частот власних коливань фрагментів у матеріалах інструменту і виробу, що оброблюється, що справедливо для випадку полірування кремнезем-вміщуючих матеріалів, а від декількох і визначається за формулою:

,

де - частоти власних коливань фрагментів оброблюваного матеріалу Me[AlSi3O8], - частоти власних коливань фрагментів матеріалу робочого шару інструменту CeO2 або Al2O3.

Рис.2.Фрагмент структури АМ | Для визначення частот власних коливань аналізуавалися ІЧ-спектри відбиття поверхонь виробів і робочого шару інструментів.

Продуктивність полірування у відповідності до рівняння зносу, отриманого Ю.Д. Філатовим та В.В. Роговим прямо пропорційна кількості і об’єму часток зносу (кластерів), які видаляються з оброблюваної поверхні в процесі обробки.

Кількість кластерів певного розміру визначалася з розподілу Пуасона з параметром, що дорівнює відношенню енергії зв’язку кластера до енергії кластеру. Енергія зв’язку визначалася добутком енергії зв’язку матеріалу, що оброблюється, і кількості зв’язків кластера з оточенням. Енергія кластеру визначалася як сумарна енергія коливань фрагментів утворюючих кластер за формулою:

,

де – стала Планка.

Отримані результати використовувалися при моделюванні мікропрофілю полірованої поверхні за методом, розробленим В.В. Роговим та Ю.Д. Філатовим.

В результаті експериментальних досліджень залежності продуктивності полірування від величини різниці частот власних коливань Дщ фрагментів на поверхнях інструменту і виробу встановлено, що вона описується лінійною функцією (рис.3 а), яка за допомогою методу найменших квадратів може бути апроксимована функцією:

, мг/хв (2)

(- продуктивність полірування, мг/хв, Дщ = |щ02 – щ01|, см-1). При цьому похибка апроксимації не перевищує 12 %.

В ході експериментальних досліджень також була виявлена залежність висотного параметру шорсткості Ra полірованої поверхні досліджуваних АМ від Дщ (рис. 3 б), яка апроксимувалася за допомогою методу найменших квадратів і може бути описана лінійною функцією:

, мкм (3)

Похибка апроксимації не перевищує 7%.

a |

б

Рис. 3. Залежність продуктивності полірування Q (а) і параметру шорсткості Ra (б) від різниці частот власних коливань фрагментів на поверхнях виробу

і інструменту

Отримані залежності та можуть використовуватися для обґрунтованого вибору полірувального порошку для виготовлення робочого шару інструменту, який забезпечить необхідну якість полірованої поверхні за максимальної продуктивності полірування. Слід відзначити, що залежності (2) і (3) мають фізичний сенс тільки в тому випадку, коли механізм процесу полірування не є абразивним. Тому при виборі полірувального порошку треба виходити не тільки з його частотних характеристик, а й з розміру полірувальних зерен, їх форми, процентного вмісту полірувального порошку та зв’язуючого, режимних параметрів обробки (тиску притискання інструменту до виробу, що оброблюється).

Для виготовлення робочого шару полірувального інструменту використовувався полірувальний порошок оксид алюмінію зерна якого мають сферичну форму. Розрахунки за рівняннями Г. Герца і І.В. Крагельського дозволяють зробити висновок, що при обробці виробів з АМ інструментом на основі полірувального порошку оксиду алюмінію має місце пружний контакт, а мікрорізання не відбувається.

При розробці характеристики інструменту визначався відсотковий вміст полірувального порошку і зв’язуючого в масі для виготовлення робочого шару полірувального інструменту, за якого досягається максимальна продуктивність полірування. Аналіз залежності продуктивності полірування від відсоткового вмісту полірувального порошку дозволяє зробити висновок про її екстремальний характер(рис.4). |

Зниження продуктивності поліру-вання може пояснюватися зменшенням міцності утримування полірувальних зерен зв’язуючим за нестачі останнього. Максимум продуктивності полірування для складу на основі полірувального порошку - оксиду алюмінію та зв’язуючого – ПЕТФ досягається при процентному вмісті полірувального порошку 55 - 65 %.

Рис.4. Залежність продуктивності полірування поверхні виробу від процентного вмісту полірувального порошку

При розробці конструкції робочого шару інструменту для обробки виробів з АМ на мостових шліфувально-полірувальних верстатах з планетарним рухом інструментів виходили з того, що густина заповнення колових зон на поверхні інструменту робочим шаром, за припущення про постійність величини тиску по коловим зонам pа(r) = const, повинна бути пропорційною величині шляху тертя елементу робочого шару S(r) по поверхні виробу, тобто ki(r)~ S(r)I, де = 0,95 - коефіцієнт, який враховує наявність прорізів в робочому шарі, необхідних для виносу ЗОТС та продуктів обробки. Вказану залежність можна апроксимувати параболічною функцією вигляду: ki(r)=138,2r2 + 0,46.

Конструкція робочого шару інструменту (діаметром 120 мм), що має такий коефіцієнт заповнення, являє собою 3-х лопатеву полімерну матрицю з закріпленими в ній робочими елементами для ТАШ, СТАШ або полірування, розміщеними за концентричними колами (рис. 5).

Рис. 5. Конструкція робочого шару інструменту для обробки виробів з АМ на мостових шліфувально-полірувальних верстатах, з планетарним рухом інструментів | Профіль передньої поверхні лопаті 1 (рис. 5) описується рівнянням логарифмічної спіралі. При цьому забезпечуються оптимальні, з точки зору гідродинаміки, умови для виходу ЗОТС і продуктів полірування (шліфування) з зони обробки. Профіль задньої поверхні лопаті 2 описується рівнянням параболічної спіралі: (де - полярний кут, – параметр спіралі).

Для забезпечення найбільш щільного контакту поверхонь виробу та інструменту матриця виготовлялась з еластичного матеріалу. Максимально припустима величина модуля пружності E матеріалу матриці залежить від тиску притискання інструменту pa, товщини матриці h, неплощинності поверхні виробу N і визначалася за відомою формулою:

,

в якій за l1 прийнята величина опорної довжини макронерівності.

В результаті досліджень макропрофілю оброблюваної поверхні показано, що максимальна величина неплощинності N становить 30 мкм на опорній довжині 30 мм. При pa = 0,05 МПа, h = 10 мм, N = 30 мкм, l1 = 30 мм розрахункова величина модуля пружності становить приблизно 120 МПа. Саме тому в якості матеріалу для виготовлення еластичної матриці використовувалися поліетилен високого тиску та полівінілхлоридний (ПВХ) пластик, модуль пружності яких менший за розрахунковий. Виходячи з того, що на опорній довжині l1 повинні розміститися не менше двох робочих елементів, а відстань між елементами в матриці не повинна бути меншою за 2 мм максимально припустимий розмір робочих елементів становить 12 мм у діаметрі.

В ході експериментальних досліджень показано, що робочий шар розробленого інструменту при обробці виробів з АМ на мостовому шліфувально-полірувальному верстаті з планетарним рухом інструментів зношується рівномір-но (у= 0,1 ± 0,04).

У п’ятому розділі здійснено моделювання мікропрофілю полірованих поверхонь виробів з АМ, виконано розрахунок параметру шорсткості Ra. Наведено результати експериментальних досліджень стану полірованих поверхонь.

Рис. 6. Модельна профілограма полірованої поверхні виробу з амазоніту | За результатами розрахунків мікропрофілю полірованої поверхні з використанням методу моделювання, розробленим Ю.Д. Філатовим та В.В. Роговим, були побудовані модельні профілограми полірованих поверхонь виробів з АМ (рис. 6), за якими визначалася величина параметру шорсткості Ra.

Показано, що експериментальні та теоретично визначені величини параметру Ra мають добру збіжність (для більшості досліджуваних матеріалів похибка розрахунків не перевищує 20 % (табл.2)) .

Таблиця 2

Розрахункові та експериментальні величини параметру шорсткості Ra

полірованих поверхонь виробів з АМ

Матеріал | Полірувальний

інструмент | Rа експ,

мкм | Rа розр,

мкм | Rа розр

Rа експ | Д, %

Амазоніт | CeO2 | 0,018 | 0,016 | 0,89 | 11,0

Обсидіан | CeO2 | 0,020 | 0,017 | 0,85 | 15,0

Базальт | CeO2 | 0,016 | 0,013 | 0,81 | 19,0

Керам. граніт “Mirage” | CeO2 | 0,025 | 0,021 | 0,84 | 16,0

Базальт | Аl2O3 | 0,020 | 0,016 | 0,80 | 20,0

Керам. граніт “Кentaur” | Аl2O3 | 0,040 | 0,035 | 0,87 | 13,0

Керам. граніт “Mirage” | Аl2O3 | 0,038 | 0,035 | 0,92 | 8,0

Керам. граніт “Pamesa Ceramica” | Аl2O3 | 0,040 | 0,035 | 0,87 | 13,0

Величини параметрів шорсткості Ra, Rz, Rmax для різних матеріалів, оброблених розробленими полірувальними інструментами, наведені в табл. 3.

Для кількісної оцінки якості полірованих поверхонь поряд з висотними параметрами шорсткості використовувався коефіцієнт відбиття світла (на довжині хвилі 530 нм). Експериментальні дослідження показали, що величина коефіцієнта відбиття світла збільшується зі зменшенням параметру шорсткості Rz полірованої поверхні (табл. 3). Виявлена залежність - аналогічна залежності, яку отримав О.С. Топорець для випадку полірування виробів з скла.

Таблиця 3

Параметри шорсткості і коефіцієнт відбиття світла полірованих поверхонь виробів з АМ

Матеріал | Ra, мкм | Rz, мкм | Rmax, мкм | K, %

Амазоніт | 0,018 ± 0,003 | 0,084 ± 0,005 | 0,136 ± 0,05 | 6,3 ± 0,03

Базальт | 0,020 ± 0,004 | 0,080 ± 0,005 | 0,138 ± 0,018 | 8,16 ± 0,09

Керамічний граніт “Mirage” | 0,038 ± 0,003 | 0,118 ± 0,01 | 0,188 ± 0,015 | 6,1 ± 0,03

Керамічний граніт “Kentaur” | 0,040 ± 0,006 | 0,160 ± 0,03 | 0,36 ± 0,125 | 6,68 ± 0,01

Керамічний граніт “Pamesa Ceramica” | 0,040 ± 0,005 | 0,140 ± 0,01 | 0,26 ± 0,046 | 6,67 ± 0,01

Для дослідження стану оброблених поверхонь виробів з АМ за колірними характеристиками аналізувалися спектри відбиття світла у діапазоні довжин хвиль 400-680 нм. В результаті аналізу показано, що інтенсивність світла, відбитого від полірованої поверхні Iв, не залежить від його довжини хвилі (рис. 7). Це означає, що для оцінки ідіохроматичного забарвлення полірованих поверхонь виробів з АМ спектри відбиття світла використовуватися не можуть. В той же час спектр розсіювання світла полірованою поверхнею чутливий до довжини хвилі світла (рис. 8). При цьому інтенсивність розсіяного світла Iр полірованими поверхнями виробів з різним кольоровим забарвленням максимальна в характерних для матеріалу областях спектру.

Рис. 7. Спектр відбиття світла полірованою поверхнею керамічного граніту “Mirage”

Рис. 8. Спектри розсіювання світла полірованими поверхнями керамічного граніту “Mirage” (1) і амазоніту (2)

Для визначення часу полірування, по закінченню якого в повній мірі проявляється ідіохроматичне забарвлення поверхні виробу, запропоновано критерій, оснований на визначенні величини (Iр, Iet – інтенсивності розсіяного світла полірованою і еталонною поверхнями відповідно). Цей критерій дозволяє вважати ідіохроматичне забарвлення поверхні обробленого матеріалу проявленим, якщо величина незначно відрізняється від 1.

У шостому розділі наведено результати дослідно-промислової перевірки розробленого інструменту та технологічного процесу фінішної обробки поверхонь виробів з АМ.

В результаті порівняльного аналізу показників якості, які досягаються при поліруванні виробів з АМ (табл. 4) розробленим полірувальним інструментом, алмазною полірувальною головкою (АГП) виробництва ІНМ НАНУ та пастою на основі оксиду хрому показано, що величина Ra поверхонь виробів з АМ, оброблених розробленим полірувальним інструментом в 3 - 5 разів нижча за величину Ra поверхонь, оброблених пастою на основі оксиду хрому, і в 2- 4 рази нижча за величину Ra поверхонь, оброблених алмазною полірувальною головкою.

Встановлено також, що величина коефіцієнта відбиття світла К поверхонь виробів, оброблених розробленими полірувальними інструментами, в 1,3 - 1,7 рази вища, ніж при поліруванні пастою на основі оксиду хрому, а ідіохроматичне забарвлення проявляється найбільш повно.

Таблиця 4

Результати порівняльного аналізу показників якості полірованих

поверхонь виробів з керамічного граніту “Mirage” (Італія)

Показник

Процес полірування

За традиційною

технологією | За розробленою

технологією | За італій-ською техно-логією *

Полірувальна

паста (Cr2O3) | Алмазна полірувальна головка

(АГП) | Полірувальний

інструмент

Al2O3-ПЕТФ | СeO2-ПЕТФ

Ra, мкм | 0,12 | 0,1** | 0,038 - 0,04 | 0,025-0,028 | 0,05 - 0,06

K, % | 4,5 | - | 6,1 – 6,7 | 7,2 – 7,8 | 5,1 - 5,6

ж | 1,8 | - | 0,93 | 0,85 | 1

* Вироби виробництва фірми “Mirage”, імпортовані в Україну з Італії.

** За літературними даними.

Порівняння показників якості поверхонь виробів, оброблених розробленими полірувальними інструментами та оброблених за італійською технологією дозволяє зробити висновок про те, що за шорсткістю, коефіцієнтом відбиття світла та повнотою прояву ідіохроматичного забарвлення поверхні виробів, оброблених розробленими полірувальними інструментами не поступаються закордонним аналогам.

В ході дослідно-промислової перевірки показано, що продуктивність полірування виробів з АМ на мостових верстатах з планетарним рухом інструментів у 1,5 – 2 рази вища, ніж при традиційній обробці на радіально-консольному верстаті.

За результатами досліджень розроблено нормативну, технологічну і конструкторську документацію для виготовлення інструменту для фінішної обробки плоских поверхонь виробів з АМ.

Наведено результати дослідно-промислової перевірки і впровадження технологічного процесу фінішної обробки плоских поверхонь виробів з АМ і інструментів для його здійснення в виробництво в умовах каменеобробного цеху “Броварського ВУКГ” і на виробничій ділянці “Самоцвіти” ХП “Алкон-сервіс”.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В роботі вирішена важлива науково-технічна задача, що полягає в розробці й науковому обґрунтуванні технологічного процесу полірування виробів з алюмосилікатних матеріалів й інструментів зі зв'язаним полірувальним порошком, які забезпечують підвищення ефективності обробки. В результаті дослідження закономірностей зносу робочого шару інструменту, зняття оброблюваного матеріалу й формування мікрорельєфу оброблених поверхонь виробів з АМ отримані наступні наукові та практичні результати:

1. Для теоретичного аналізу впливу структури АМ на шорсткість оброблених поверхонь запропонована модель фрагмента структури АМ Me[AlSi3O8], яка з урахуванням багаточастотної взаємодії матеріалів інструмента й оброблюваного виробу в зоні обробки дозволила значно підвищити точність розрахунку величини параметру шорсткості Ra полірованих поверхонь;

2. Встановлено, що при поліруванні поверхонь виробів з АМ величина параметра шорсткості Ra зменшується при збільшенні різниці частот власних коливань Дщ фрагментів оброблюваного матеріалу Me[AlSi3O8] та фрагментів матеріалу робочого шару інструменту CeO2 або Al2O3 за гіперболічним законом , а продуктивність полірування збільшується зі зменшенням різниці частот власних коливань за лінійним законом ;

3. Встановлено, що для досягнення високої рівномірності зносу робочого шару інструмента (коефіцієнт рівномірності зносу у = 0,10 ± 0,04) при обробці виробів з АМ на шліфувально-полірувальному верстаті з планетарним рухом інструментів коефіцієнт заповнення поверхні інструмента робочим шаром повинен зростати зі збільшенням радіуса колових зон r за параболічним законом: ki(r)=138,2Ir2 + 0,46;

4. Розроблено характеристику і спеціальну конструкцію робочого шару полірувального інструменту (Патенти України № 55048, 64524), які в процесі полірування плоских поверхонь виробів з АМ забезпечують високу якість полірованих поверхонь та рівномірний знос інструменту за високої продуктивності полірування;

5. Для кількісної оцінки повноти прояву ідіохроматичного забарвлення полірованих поверхонь виробів з АМ запропоновано критерій, заснований на порівнянні спектрів розсіювання світла обробленою поверхнею й поверхнею, що використовується в якості еталонної;

6. Розроблено нормативну, технологічну й конструкторську документацію для виготовлення інструменту для фінішної обробки плоских поверхонь виробів з АМ, а також рекомендації зі здійснення цього процесу;

7. При поліруванні виробів з АМ розробленим полірувальним інструментом величина параметру шорсткості Ra в 3 - 5 рази нижча чим при обробці алмазною полірувальною головкою і в 2 - 4 рази нижча ніж при обробці пастою на основі оксиду хрому.

8. Встановлено, що величина коефіцієнта відбиття світла К поверхонь виробів, оброблених розробленими полірувальними інструментами, в 1,3 - 1,7 рази вища, ніж при поліруванні пастою на основі оксиду хрому, а ідіохроматичне забарвлення проявляється найбільш повно.

9. Порівняння показників якості поверхонь виробів, оброблених розробленими полірувальними інструментами та оброблених за італійською технологією дозволяє зробити висновок про те, що за шорсткістю, коефіцієнтом відбиття світла та повнотою прояву ідіохроматичного забарвлення поверхні виробів, оброблених розробленими полірувальними інструментами не поступаються закордонним аналогам.

Основні результати висвітлено у наступних публікаціях:

1.Скрябин В.В., Сидорко В.И., Филатов Ю.Д. Закономерности формообразования поверхностей изделий из алюмосиликатных материалов // Сверхтвердые материалы. - 2002. – №5. – С. 74–82.

2.Скрябин В.В., Сидорко В.И., Филатов Ю.Д. Характер износа рабочего слоя инструмента при финишной обработке плоских поверхностей изделий из алюмосиликатных материалов // Сверхтвердые материалы. – 2004. – №4. – С. 69–74

3. Скрябин В.В., Филатов Ю.Д. Исследование механизма полирования изделий из алюмосиликатных материалов // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: серія Г „Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”/ НАН України. ІНМ ім. В.М. Бакуля.- Київ, 2003.- С.174-182.

4. Скрябин В.В., Филатов Ю.Д. Закономерности полирования изделий из алюмосиликатных материалов инструментом с эластичным рабочим слоем // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения. Сборник научных трудов.-Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНУ, 2003.– С.320-322.

5. Финишная обработка и контроль поверхности деталей из алюмосиликатных материалов / Филатов Ю.Д., Сидорко В.И, Горбачев Г.Ф., Ящук В.П., Крамар В.Г., Скрябин В.В. // Сверхтвердые материалы. - Киев. 2001. - №5. - С. 70-75.

6. Контроль качества поверхностей из керамического гранита и поделочного камня / Скрябин В.В., Сидорко В.И., Филатов Ю.Д., Ящук В.П. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения. Сборник научных трудов.-Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНУ, 2004.-С.64-67.

7. Патент 55048 А. Україна, МПК B24D3/28, B24D3/34. Маса для виготовлення робочого шару полірувального інструменту/ Новіков М.В., Філатов Ю.Д., Сидорко В. І., Скрябін В.В., Крамар В.Г.; ІНМ НАН України. - № 55048; Заявл. 18.06.2002; Опубл. 17.03.2003, Бюл. № 3. - 4 с.

8. Скрябин В.В., Крамар В.Г. Полирование плоских поверхностей деталей из алюмосиликатных материалов инструментом со связанным полировальным порошком // 22 Miedzynarodowe sympozjum naukowe studentow I mlodych pracownikow nauki. - Politechnika Zielonogorska. - 2001. - P. 120-126.

9. Researches into surface layer of polished surfaces of details from natural and synthetic stones / Filatov Y.D., Sidorko V.I., Skryabin V.V., Kramar V.G., Yashchuk V.P. // Scientific works III International Young Scientists conference “Problems of optics & High technology Material Science SPO 2002”. - Kiev. - 2002. - P. 100.

10. Скрябін В.В. Критерій вибору матеріалу зв’язуючого інструмента для полірування алюмосилікатних матеріалів // Тези Міжнар. конф. студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2001”. - Львів. - 2001. - С. 176-177.

АНОТАЦІЯ

Скрябін В.В. Підвищення ефективності полірування виробів з алюмосилікатних матеріалів. – 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, 2004.

Дисертацію присвячено питанню полірування плоских поверхонь виробів з алюмосилікатних матеріалів інструментами зі зв’язаним полірувальним порошком. Представлено результати дослідження впливу кінематичних параметрів обробки на рівномірність зносу робочого шару інструменту. Обґрунтовано конструкцію робочого шару інструменту для обробки плоских поверхонь виробів з алюмосилікатних матеріалів на мостових шліфувально-полірувальних верстатах з планетарним рухом інструментів, яка забезпечує високу рівномірність зносу робочого шару в процесі обробки (коефіцієнт рівномірності зносу у = 0,1±0,04). Запропоновано модель фрагмента структури АМ Me[AlSi3O8] та враховано багаточастотну взаємодію матеріалів інструмента й оброблюваного виробу в процесі полірування, в результаті чого кластерну модель зносу поширено на клас алюмосилікатних матеріалів. Представлені результати досліджень впливу спектроскопічних характеристик матеріалів інструменту і виробу, що оброблюється (частоти власних коливань) на продуктивність полірування та шорсткість полірованої поверхні. Розроблено характеристику робочого шару нового інструменту на основі полірувального порошку оксиду алюмінію та зв’язуючого ПЕТФ. Розроблено методики оцінки якості полірованих поверхонь за коефіцієнтом відбиття світла та повнотою прояву ідіохроматичного забарвлення. На підставі результатів досліджень розроблено рекомендації щодо застосування інструментів для фінішної обробки плоских поверхонь виробів з алюмосилікатних матеріалів.

Ключові слова: полірування, алюмосилікатні матеріали, продуктивність, шорсткість, коефіцієнт відбиття світла, повнота прояву ідіохроматичного забарвлення, рівномірність зносу робочого шару інструменту, коефіцієнт заповнення.

АНОТАЦИЯ

Скрябин В.В. Повышение эффективности полирования изделий из алюмосиликатных материалов. – 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, 2004.

Диссертация посвящена вопросу