НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В. М. БАКУЛЯ

ПУЗИРЬОВ Олександр Леонідович

УДК 621.923:621.921.34:666

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ АЛМАЗНОГО ДОВЕДЕННЯ СФЕРИЧНОЇ ПОВЕРХНІ ДЕТАЛІ З КЕРАМІКИ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ ВВЕДЕННЯМ ДОДАТКОВОГО ОБЕРТАЛЬНОГО РУХУ

05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля Національної Академії наук України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Розенберг Олег Олександрович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ, завідувач відділу Перспективних ресурсозберігаючих технологій механообробки інструментами з НТМ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Майборода Віктор Станіславович,

Національний технічний університет Україні "Київський політехнічний інститут", м. Київ, професор кафедри "Інструментальне виробництво"

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Стахнів Микола Євстахійович,

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

Захист відбудеться " 8 " листопада 2007 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074 м. Київ, вул. Автозаводська 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України (м. Київ, вул. Автозаводська 2)

Автореферат розісланий " 5 " жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Лавріненко В.І

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Ендопротезування тазостегнових суглобів, що полягає в заміні природного людського суглоба на штучний, є одним з найперспективніших методів у лікуванні травматичних та дегенеративно-дистрофічних захворювань суглобів. Протезуванням тазостегнових суглобів займаються сотні клінік і дослідницьких центрів багатьох країн світу. Для України також є актуальним розвиток сучасних методів ендопротезування тазостегнових суглобів.

Ендопротез суглоба є складною конструкцією із шарнірним з'єднанням, одним з основних елементів якого є головка ендопротезу, яка має зовнішню сферичну поверхню і виготовляється, як правило, з біоінертної кераміки на основі оксидів алюмінію Al2О3 та диоксидів цирконію Zrо2. Дана кераміка відрізняється високою твердістю, зносостійкістю, корозійною стійкістю та невеликим коефіцієнтом тертя.

До шарнірного з'єднання "головка - чашка" пред'являються високі вимоги зносостійкості та стійкості до циклічних навантажень. Тому вирішальне значення має точність форми й шорсткість сферичної поверхні головки ендопротеза. Так російський стандарт ГОСТ Р ИСО 7206-2-2005 висуває наступні вимоги: шорсткість сферичної поверхні Ra 0,02 мкм, відхилення від сферичності не більше 10 мкм. При цьому допуск на номінальній діаметр становить ,02 мм.

Разом з тим світові лідери виробництва головок ендопротезів суглобів, японська фірма "Kyoсera" та французька фірма "FrancBall", забезпечують точність форми сферичної поверхні на рівні 0,1 – ,4 мкм і шорсткість сферичної поверхні Ra 0,01 – ,02 мкм.

В Україні в Інституті надтвердих матеріалів НАН України, Соханем С.В., розроблено технологію алмазного доведення головок ендопротезів, яка базується на методі "вільного притирання", та забезпечує відхилення форми сферичної поверхні на рівні 0,5 – ,0 мкм і Ra = 0,01 – ,03 мкм. Як видно, тільки точність форми сферичної поверхні головок ендопротезів, оброблених за даною технологією, відповідає вимогам стандарту, а шорсткість сферичної поверхні лише наближена до нього.

Тому актуальність проблеми полягає в розробці нового способу обробки сферичної поверхні головки ендопротеза суглоба, що базуватиметься на методі "вільного притирання" і відрізнятиметься дешевизною обробки, та забезпечить якість поверхні яка відповідатиме вимогам стандарту, і якомога більше наближена до показників світових виробників.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України в період з 2002 р. і по теперішній час відповідно до планів наступних науково-дослідних проектів і державних бюджетних тем, у яких автор був виконавцем: 1) бюджетної теми 1.6.7.2060 "Фізико-механічні закономірності формування прецизійних елементів ендопротезів з біокераміки інструментом з нанопорошків алмазу" (номер державної реєстрації 0103U006922 науково-дослідних робіт ІНМ НАН України); 2) госпдоговірної теми ІНМ НАНУ, відкритої в рамках виконання проекту № 25 від 13.12.2004 р. "Дослідження зносостійкості керамічних матеріалів і підбір оптимальної пари тертя для вдосконалення конструкції ендопротезу тазостегнового суглоба" ІПМ НАНУ з бюджетним фінансуванням Головним управлінням охорони здоров'я й медичного забезпечення м. Києва, виконання теми триває; 3) проекту УНТЦ № 3596 від 01.08.2006 р. "Вплив анізотропії кристалічної гратки на оброблюваність і якість медичних сапфірових імплантатів", виконання проекту триває.

Мета роботи: підвищення ефективності процесу алмазного доведення сферичної поверхні деталей з кераміки медичного призначення за рахунок підвищення точності форми та зниження шорсткості поверхні, шляхом застосування нового способу обробки, що включає додатковий обертальний рух деталі та квазицентральне навантаження зони обробки.

Задачі дослідження:– 

розробка кінематичної схеми процесу алмазного доведення з обертанням деталі навколо двох осей;– 

розробка квазицентральної схеми навантаження зони обробки для вирівнювання нормальної складової контактного тиску на сферичній поверхні деталі;– 

розробка математичної моделі процесу алмазного доведення керамічних головок ендопротеза суглобу та її експериментальна перевірка на адекватності шляхом порівняння розрахункового та експериментального значень швидкості зношування матеріалу по профілю деталі при алмазному доведенні з обертанням деталі навколо однієї осі;– 

теоретичне дослідження впливу кінематики руху деталі й квазицентральної схеми навантаження зони обробки на швидкість зношування матеріалу по профілю деталі;– 

експериментальне дослідження впливу матеріалу притира на показники алмазного доведення керамічних матеріалів медичного призначення;– 

розробка технологічних рекомендацій для процесу алмазного доведення керамічних головок ендопротеза суглоба.

Об'єкт дослідження. Процес алмазного доведення сферичної поверхні керамічних деталей методом "вільного притирання".

Предмет дослідження. Кінематичні і силові особливості процесу алмазного доведення сферичної поверхні деталей з кераміки медичного призначення методом "вільного притирання".

Методи дослідження. У роботі використовувалися теоретичні і практичні основи процесу алмазного доведення, основні положення теорії різання матеріалів, методи математичного моделювання, елементи теорії планування та постановки експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Обґрунтовано можливість зниження шорсткості і відхилення форми сферичної поверхні деталі шляхом введення в кінематичну схему процесу алмазного доведення сферичної поверхні додаткового обертального руху деталі та рівномірним розподілом навантажень по сферичній поверхні деталі, що дозволяє застосувати новий спосіб процесу алмазного доведення з обертанням деталі навколо двох осей і квазицентральним навантаженням зони обробки.

2. Вперше, для нового способу, розроблена математична модель процесу алмазного доведення сферичної поверхні деталі, яка дозволяє обчислити швидкості ковзання поверхонь і контактний тиск в зоні обробки та визначити умови еквідистантного зняття матеріалу по профілю деталі за рахунок встановлення взаємозв’язку значення кута a, розташування вісі притиру і значення кута b, додаткової вісі обертання деталі.

3. Вперше встановлено, що керувати процесом алмазного доведення сферичної поверхні керамічної деталі, забезпечуючи переважне зняття припуску при вершині, на периферії або еквідистантно профілю деталі, можливо шляхом зміни значення кутів a і b.

4. Вперше вивчено вплив твердості притиру з сірого чавуну на продуктивність алмазного доведення деталей з кераміки медичного призначення для різних режимів обробки та встановлено, що для умов обробки головок ендопротезів має місце лінійна залежність продуктивності обробки від швидкості ковзання поверхонь і контактного тиску, причому з підвищенням твердості чавуну продуктивність збільшується.

Практична цінність одержаних результатів:

1. Запропоновано новий спосіб алмазного доведення головок ендопротезу суглобу з обертанням деталі навколо двох осей, що перетинаються, та квазицентральним навантаженням зони обробки. За новим способом алмазного доведення оброблена партія головок, виміри якої показали, що цей спосіб забезпечує шорсткість сферичної поверхні Ra ,013 – ,02 мкм, і відхилення від сферичності в межах 0,4 – ,9 мкм., стабільність цих показників по всій сферичній поверхні.

2. Експериментально встановлено, що підвищення твердості матеріалу притира з сірого чавуну (НВ = 143 – 241) сприяє підвищенню продуктивності алмазного доведення головок ендопротеза суглоба з керамічних матеріалів на основі оксидів алюмінію та цирконію. Для дослідженого кола матеріалів притирів найвищу продуктивність показав притир з сірого чавуну твердістю НВ 241. В той же час, зниженню шорсткості обробленої поверхні за умови збереження достатньої продуктивності доведення сприяє зниження твердості матеріалу притиру з сірого чавуну. Найбільше зниження шорсткості обробленої поверхні (до Ra ,014 мкм) забезпечує притир з сірого чавуну твердістю НВ 143.

3. При дослідженні впливу зернистості алмазних паст на шорсткість обробленої поверхні встановлено, що низьку шорсткість обробленої поверхні забезпечує алмазна паста марки АСМ зернистістю 2/1, за умови використання притиру з сірого чавуну твердістю НВ 143.

4. В результаті виконаних досліджень розроблені технологічні рекомендації алмазного доведення керамічних головок ендопротезу суглобу, що використовуються під час виготовлення виробничих партій керамічних головок ендопротеза тазостегнового суглоба.

На даний час результати дослідження використані для виготовлення дослідно-промислової партії головок ендопротеза тазостегнового суглоба, і також знайшли застосування при проектуванні верстату для обробки головок ендопротеза суглоба, що виконується фірмою BAROSZ GWIMET м. Владислав, Польща.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно і його внесок полягає в:– 

розробці схеми процесу алмазного доведення з додатковим обертальним рухом деталі;– 

розробці прогресивної схеми навантаження зони обробки для вирівнювання нормальної складової контактного тиску на сферичній поверхні деталі;– 

проведенні теоретичного дослідження впливу кінематики руху деталі й схеми навантаження зони обробки на швидкість зношування матеріалу по профілю деталі при алмазному доведенні;– 

експериментальному дослідженні впливу матеріалу притиру на показники алмазної доводки керамічних матеріалів медичного призначення;– 

аналізі отриманих результатів та розробці на їхній підставі практичних рекомендацій з обробки керамічних головок ендопротезів тазостегнового суглоба.

Розробка математичної моделі процесу алмазної доводки керамічних головок ендопротеза суглоба проведена автором разом з науковим керівником і співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на I Міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування й металообробка - 2003", м. Кіровоград, 2003 р.; II Всеукраїнській конференції молодих учених і фахівців "Надтверді, композиційні матеріали й покриття: одержання, властивості, застосування", м. Київ, 2004 р.; V Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції "Машинобудування України очами молодих учених: прогресивні ідеї - наука - виробництво", м. Суми, 2005 р.; Науково-технічному семінарі "Семковські молодіжні наукові читання", м. Харків, 2006 р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 5 друкованих праць в науково-технічних журналах, у тому числі в спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України, опубліковано 4 друковані праці. Основні положення й результати доповідалися на 4 науково-технічних конференціях. Отримано 2 деклараційні патенти України на винаходи.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі списку умовних позначень, вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг становить 187 сторінки, у тому числі 74 рисунка й 21 таблицю. Список використаних джерел містить 120 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми роботи. Показана важливість єндопротезування тазостегнового суглоба людини з використанням новітніх керамічних матеріалів. Одним з основних складових єндопротезу є керамічна головка з прецизійною зовнішньою сферичною поверхнею, до якої висуваються високі вимоги точності форми та шорсткості поверхні. Проблема виготовлення такої поверхні є досить складною, вирішення якої потребує нових досліджень, направлених на розробку нового способу обробки, що забезпечить необхідні геометричні показники сферичної поверхні та буде достатньо продуктивним і недорогим при використанні. В цій частині роботи визначена наукова новизна та практична цінність, представлено отримані практичні результати та зв’язок дисертаційної роботи з науковими темами.

У першому розділі розглянуто особливості конструкції головок ендопротезів тазостегнового суглобу, та особливості обробки сферичних поверхонь високої точності керамічних деталей.

До прецизійної сферичної поверхні головки ендопротезу суглоба пред'являються високі вимоги точності форми та шорсткості поверхні. Так російський стандарт ГОСТ Р ИСО 7206-2-2005 висуває наступні вимоги: шорсткість сферичної поверхні Ra 0,02 мкм, відхилення від сферичності не більше 10 мкм. При цьому допуск на номінальній діаметр становить 0,02 мм. В той же час світові лідери виробництва головок ендопротезів суглобів, японська фірма "Kyoсera" та французька фірма "FrancBall", забезпечують точність форми сферичної поверхні на рівні 0,1 – ,4 мкм і шорсткість сферичної поверхні Ra = 0,01 – ,02 мкм.

Аналіз літературних джерел показав, що для отримання точних сферичних поверхонь використовуються два принципово різні методи: "жорстких осей" та "вільного притирання". Метод "жорстких осей" характеризується високою продуктивністю обробки, однак точність форми сферичної поверхні залежить від виконавчих рухів системи верстат – інструмент – деталь, що потребує використання високоточного верстату і інструмента. Метод "вільного притирання", що характеризується силовим замикання системи деталь – інструмент, забезпечує більш високу точність формоутворення та може бути реалізований на універсальному обладнанні, в той же час він є менш продуктивним в порівнянні з методом жорстких осей. Показано, що утворення прецизійної сферичної поверхні деталі можливо або простою кінематикою – шляхом перетину осей деталі та інструменту в центрі сфери, або складною кінематикою – з введенням додаткових рухів інструменту або деталі (додаткове обертання, осциляція, або їх сукупність), причому складна кінематика має значні переваги по точності формоутворення завдяки складній формоутворюючій траєкторії деталі та інструменту.

Питаннями, пов’язаними з формоутворенням сферичних поверхонь деталей з кераміки займалось багато вчених: Семибратов М.М., Орлов П.М., Кремень З.І., Ящерицин П.І. та інші. Однак роботи, виконані ними, в основному направлені на вивчення проблем формоутворення або повних сферичних поверхонь, або сферичних поверхонь з висотою сферичної частини меншою за радіус, в той час як висота сферичної поверхні головки ендопротезу суглоба складає 0,8 – 0,9 діаметру.

В Інституті надтвердих матеріалів НАН України, Соханем С.В., розроблено технологію алмазного доведення головок ендопротезів, яка базується на методі "вільного притирання" (рис.  а) та забезпечує відхилення форми сферичної поверхні на рівні 0,5 – ,0 мкм і Ra 0,01 – ,03 мкм. Дана технологія реалізується на універсальному обладнанні і є відносно дешевою, вона дозволяє виготовити головки ендопротезів тазостегнових суглобів що відповідають вимогам стандарту ГОСТ Р ИСО 7206-2-2005, але вона не забезпечує показників якості сферичної поверхні, що відповідають показникам світових виробників, до того ж вона має недоліки: нерівномірність зняття припуску по профілю деталі та нерівномірність показників шорсткості та некруглості у різних перетинах сферичної поверхні.

В зв’язку з виготовленням головок ендопротезів з нових керамічних матеріалів медичного призначення і високих режимів обробки, що використовуються в існуючій технології, виникає необхідність вивчення впливу матеріалу притиру і алмазної пасти на якість обробленої поверхні та продуктивність обробки. Також є необхідність вдосконалення існуючої схеми формоутворення сферичної поверхні з метою підвищення точності форми сферичної поверхні.

У другому розділі показано, що нерівномірність показників шорсткості та некруглості у різних перетинах сферичної поверхні обумовлені такими факторами: стабільність положення зони обробки відносно профілю деталі (рис.  а), нерівномірність нормальної складової контактного тиску (рис.  б), та нерівномірність швидкості ковзання поверхонь (рис.  в) в зоні обробки. Також ці фактори впливають на нерівномірності зняття припуску по профілю деталі, що проявляється в необхідності збільшення припуску і, як наслідок, загального часу на обробку сферичної поверхні. Усунути нерівномірність показників шорсткості та некруглості у різних перетинах сферичної поверхні, та нерівномірності зняття припуску по профілю деталі можливо за рахунок вирівнювання наведених факторів в зоні обробки як окремо, так і їх комбінуванням.

а) | б) | в)

Рис. 1. Особливості технології алмазного доведення головок ендопротезів: положення зони обробки а), розподілення нормальної складової контактного тиску б) та швидкості ковзання в) в зоні обробки

На основі аналізу недоліків та переваг існуючих схем формоутворення сферичних поверхонь та патентних матеріалів запропоновано новий спосіб алмазного доведення керамічних головок ендопротезів суглобів методом "вільного притирання". Цей спосіб направлений на вирівнювання швидкості зняття матеріалу по профілю деталі за рахунок вирівнювання нормальної складової контактного тиску в зоні обробки та вирівнювання добутку швидкості ковзання і часу контакту поверхонь.

Для вирівнювання нормальної складової контактного тиску в зоні обробки, обумовленої кривизною оброблюваної деталі, розроблена нова конструкція розрізного притиру –цанги, схема якого представлена на рис. , де: 1 – головка ендопротезу, 2 – цанговий елемент притира, 3 – корпус притира, 4 – шарнір, 5 – пружна частина цангового елементу. Принцип дії даного притиру подібний до принципу дії цангового зажиму та направлений на вирівнювання нормальної складової контактного тиску. Сила Р, що прикладена вздовж осі притиру, за рахунок кута підйому конусного з’єднання цанги розкладається на нормальну p`n та дотичну p`t складову. Це можливо за рахунок того, що вставка притира із зовнішнім конусом виконана розрізною і має змогу переміщуватись в осьовому напрямку.

Нормальна складова контактних сил на конусній поверхні дорівнює:

,

де Sкон площа проекції зони контакту конусної поверхні.

Рис. 2. Розподілення нормальної складової контактного тиску в зоні обробки притир-цанги

Розрахунок проводиться для ідеального випадку та не враховує сили тертя, що виникають між елементами притира, та жорсткості пружних частин цангового елементу. Вираз для нормальної складової контактного тиску на поверхні деталі, з врахуванням кривизни деталі має вид , де  – кут, що характеризує положення елементарної ділянки. Прирівнявши праві частини цих виразів отримаємо значення нормальної складової контактного тиску на поверхні деталі для кожної елементарної ділянки в залежності від кута .

На основі цієї залежності, методом Гауса, встановлено оптимальне значення кута  , при якому нормальна складова контактного тиску, у порівнянні з використанням базового притира (рис.  б), в зоні обробки є більш рівномірно розподіленою та квазецентрально направленою (рис. ).

Для усунення нерівномірності швидкостей ковзання поверхонь в зоні обробки та стабільного положення зони обробки відносно профілю деталі (рис.  а і в), запропоновано схему алмазного доведення з обертанням деталі навколо двох осей, що перетинаються в центрі деталі (рис. 3). Це дозволить змінювати під час обробки положення зони контакту притиру відносно оброблюваної сферичної поверхні, що сприятиме зміні швидкостей ковзання поверхонь у різні фази обробки та зміні часу контакту робочої зони притиру з окремими ділянками сферичної поверхні деталі.

Нова схема алмазного доведення реалізується спеціальним пристроєм, який складається з наступних елементів: 1 – оправка, 2 – додаткова вісь обертання деталі, 3 – головка ендопротеза, 4 – притир, 5 –шарнір, 6 – передатний механізм, w0, w1, w2 – кутові швидкості обертання відповідно оправки, деталі й притира, a та b - кути розташування осей обертання притира і деталі (рис. 3).

Швидкість ковзання поверхонь на ділянці М зони обробки визначається як різниця векторів швидкостей руху поверхонь деталі і інструмента в дотичній площині, тобто:

Рис. 3. Схема алмазного доведення з обертанням деталі навколо двох осей

,

де w0, w1, w2 – вектор кутової швидкості обертання відповідно оправки, деталі й притира, r – радіус-вектор із центру деталі до ділянки М.

Швидкості обертання деталі та оправки задаються, а швидкість обертання притиру залежить від кутів a та b і визначається за формулою:

,

де      ,    а ,

У третьому розділі для визначення значень кутів a та b та передатного відношення між швидкістю обертання осі оправки і швидкістю обертання осі деталі запропоновано математичну модель процесу алмазного доведення сферичної поверхні, яка дозволяє визначити швидкість зняття матеріалу по профілю деталі. При розробці математичної моделі враховували наступні фактори: швидкість ковзання поверхонь та нормальна складова контактного тиску у зоні обробки, час контакту притира і деталі. В основу математичної моделі лягла емпірична залежність швидкості зняття матеріалу від контактного тиску та швидкості ковзання поверхонь. Для визначення цієї залежності проведені експерименти, з використанням рототабельного планування другого порядку, на керамічних зразках циліндричної форми з Al2O3 по методиці тертя торця диску зразка по торцю диска притира твердістю НВ 241. При цьому параметри змінювались в наступних межах: швидкість ковзання поверхонь V = 0,08 – ,92 м/с та контактний тиск у зоні обробки P = ,8 – кПа, а в якості параметру, що вимірюється використали лінійний знос керамічного зразка. На основі розрахунку експериментальних даних визначено емпіричну залежність швидкості зняття матеріалу від контактного тиску та швидкості ковзання, а також побудовано графік (рис. ).

де b0 = 0,0000238002; b1 = 0,00000822349; b2 = 0,000000523834; b12 = 0,0000006;

b11 = 0,00000182531; b22 = 0,00000107557.

Дана емпірична залежність лягла в основу математичної моделі, з її допомогою розраховано швидкість зняття матеріалу для кожної ділянки зони обробки.

За результатами математичного моделювання було побудовано графік швидкості зношування матеріалу по профілю деталі для випадку обробки головки ендопротеза по базовій технології (рис. ).

а)

б)

Рис. 5. Швидкість зняття матеріалу деталі при алмазному доведенні для базового варіанту: в полярних а) та лінійних б) координатах

Рис. . Графік залежності швидкості зняття матеріалу від контактного тиску та швидкості ковзання

Графік показаний на рис. 5 б, представляє розгортку сферичного профілю деталі в лінію. Лінія 2 відображає зняття матеріалу t головки ендопротезу по профілю деталі та побудована на основі експериментальних вимірів зняття матеріалу в точці А, що лежить на вершині, та точці С, що лежить на найбільшому радіусі перпендикулярному до осі обертання сферичної поверхні. Лінія 1 представляє апроксимацію 1-го порядку теоретично розрахованої кривої зносу матеріалу головки ендопротезу по профілю деталі. Як видно в обох випадках спостерігається однакова тенденція зняття припуску.

Лінія 3 на рис.  а представляє переріз ідеальної сферичної поверхні. Якщо порівняти відстань між лінією 1 і лінією 3 у точках А та С, то видно явну тенденцію до переважного зняття припуску на вершині деталі.

З метою визначення оптимальних значень факторів, q, a, b, при яких вирівнюється швидкість зношування матеріалу по профілю деталі, проведено теоретичне дослідження математичної моделі.

Спочатку було визначено значення передатного відношення частоти обертання оправки та деталі q. Виходячи з умови, щоб при обробці не з'являлося ділянок на сферичній поверхні деталі які не були в контакті з притиром, встановлено значення q = 1,7. Далі було визначено зону можливих значень кутів a та b (рис. ), зону в якій можливе взаємне розташування осей деталі і притира. Якщо значення кутів a та b знаходяться справа від зони , то в процесі обертання оправки край притиру буде пересікатися з віссю деталі, коли значення кутів a та b знаходяться зліва від зони на сферичній поверхні деталі з'являються зони в яких немає контакту з притиром і тому вони не оброблюються.

Для визначення оптимальних значень кутів a та b зону розбито сіткою, таким чином, щоб шаг кута b складав 4, а значення кута b встановлювали виходячи з умови щоб крайні значення знаходилися на верхній й нижній лініях, а в середині зони були рівномірно розподілені і наближені до 4. Далі в вузлових точках сітки були проведені експерименти за допомогою математичної моделі, при цьому визначали два параметри: коефіцієнт швидкості зняття матеріалу по профілю деталі KQ, що характеризує відношення мінімальної швидкості зняття припуску до максимальної, та коефіцієнт рівномірності скорості зняття матеріалу по профілю деталі KrQ, що характеризує відношення швидкості зняття матеріалу на вершині і периферії сферичної поверхні деталі. При цьому значення коефіцієнту KrQ повинно прямувати до 1, а значення коефіцієнту KQ бути по можливості максимальним.

Рис. . Вплив розташування кутів a та b на значення коефіцієнтів: KrQ (–––), KQ (----), та характер з'йому припуску

Результати дослідження, проведеного за допомогою математичної моделі, представлені на рис. , де пряма лінія відображає ізолінії значень коефіцієнту KrQ, а пунктирна лінія значення коефіцієнту KQ.

Рис. . Швидкість зняття матеріалу деталі при алмазному доведенні з обертанням деталі навколо двох осей

З рис. видно, що для забезпечення еквідистантного зняття припуску, у випадку коли оброблювана заготовка має форму, наближену до сферичного або виражену яйцеподібну форму в напрямку перпендикулярно осі обертання деталі, розташування кутів перетину a та b повинно відповідати лінії при якій KrQ . Щоб забезпечити переважне зняття припуску на периферії деталі необхідно щоб значення кутів a та b знаходилось правіше лінії KrQ , тобто значення KrQ . А для забезпечення зняття припуску переважно на вершині деталі необхідно щоб значення кутів a та b перебували лівіше цієї лінії, тобто KrQ причому чим далі від лінії тим інтенсивніше з'йом на вершині деталі.

За допомогою рис. після співставлення ізолінії коефіцієнтів KrQ та KQ, визначено значення a ,8° та b 15,6°, при яких спостерігається тенденція вирівнювання швидкості зношування матеріалу по профілю деталі (рис. ), а значення коефіцієнтів відповідно дорівнюють: KrQ і KQ ,482. З рисунка видно, що в порівнянні з базовою технологією (рис. ) має місце тенденція вирівнювання швидкості зняття матеріалу по профілю деталі. Це ми пов'язуємо з вирівнюванням нормальної складової контактного тиску в зоні обробки (рис. ) і перерозподілом швидкостей ковзання в зоні обробки по сферичній поверхні деталі

Розподіл модуля швидкості ковзання поверхонь в залежності від кута b змінюється в процесі обертання оправки. На рисунку 8 представлені найбільш характерні їх значення через 1/8 оберту оправки (один цикл). Як видно (рис.  в, та рис. ) має місце перерозподіл швидкостей ковзання по сферичній поверхні головки, за рахунок як зміни положення мінімального значення швидкості ковзання відносно осі обертання деталі, так і зміни абсолютних значень

Рис. . Розподілення швидкості ковзання поверхонь в зоні обробки за один оберт оправки

У четвертому розділі представлені результати дослідження впливу матеріалу притира і зернистості алмазної пасти на продуктивність обробки та шорсткість обробленої поверхні зразків з керамічних медичного призначення виробництва: Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України (м. Київ) – Al2O3(1), Корейського інституту науки та технологій (м. Сеул, Республіка Корея) – ZrO2(2), Донецького фізико-технічного інституту НАН України (м. Донецьк) – ZrO2(3). Також представлені результати дослідження впливу швидкості ковзання поверхонь та нормального тиску на продуктивність алмазної доводки.

При дослідженні продуктивності алмазної доводки кераміки на основі Al2O3(1), ZrО2(2) ZrО2(3) (середня швидкість Vср 0.79 м/с, контактний тиск p = 270 кПа, алмазна паста зернистістю АСМ 28/20) встановлено, що вищу продуктивність забезпечують притири із сірого чавуну (таблиця 2). З таблиці видно, що в досліджуваній області режимів доводки продуктивність обробки керамічних матеріалів становить 3,0–4,5 мм3/хв. Вперше встановлено, що продуктивність зростає пропорційно підвищенню твердості притиру із сірого чавуну. При цьому немає істотної відмінності в продуктивності доведення алюмооксидної Al2O3(1) і цирконієвої кераміки ZrО2(2), продуктивність же доведення кераміки ZrО2(3) на 20-25% вище. Разом з тим встановлено, що з підвищенням твердості притиру із сірого чавуну пропорційно зростає й продуктивність доведення матеріалу деталі.

Таблиця 2 Продуктивність алмазного доведення керамічних зразків і швидкість зношування притиру із різних матеріалів

Марка матеріалу притиру | Твер-

дість

НВ | Продуктивність доведення кераміки,

мм3/хв. | Швидкість зношування притиру,

мм3/хв.

Al2O3(1) | ZrО2(2) | ZrО2(3) | Al2O3(1) | ZrО2(2) | ZrО2(3)

СЧ-10 ГОСТ 1412-85 | 143 | 3,25 | 2,94 | 4,01 | 0,42 | 0,39 | 0,52

СЧ-15 ГОСТ 1412-85 | 170 | 3,45 | 3,11 | 4,20 | 0,54 | 0,46 | 0,75

СЧ-20 ГОСТ 1412-85 | 207 | 3,59 | 3,35 | 4,36 | 0,65 | 0,43 | 1,02

СЧ-25 ГОСТ 1412-85 | 241 | 3,87 | 3,54 | 4,27 | 0,85 | 0,49 | 0,32

Латунь Л63 | 90 | 2,68 | 2,51 | 3,06 | 1,03 | 0,74 | 0,79

Мідь М1 | 70 | 2,57 | 3,23 | 2,24 | 1,26 | 0,93 | 0,73

Дуралюмін Д16– | 1,65 | 2,08 | 1,58 | 1,01 | 0,89 | 0,64

Текстоліт– | 1,98 | 2,02 | 1,37 | 0,72 | 0,59 | 0,83

Дослідження залежності продуктивності доводки кераміки ZrО2(2) від контактного тиску (середня швидкість Vср 0.79 м/с, контактний тиск p  = 27, 54, 97, 189, 270 кПа, алмазна паста зернистості АСМ 28/20) показало, що при низькому тиску (27 кПа) продуктивність доводки як алюмооксидної, так і цирконієвої кераміки практично не залежить від твердості притиру. Проте при збільшенні тиску з 27 кПа до 270 кПа продуктивність доводки зростає пропорційно твердості притира, причому чим вище контактний тиск, тим вище продуктивність (рис. 9 а). В діапазоні тисків 180–270 кПа, що відповідає рівню тисків при доведенні керамічних головок ендопротезів, найвищу продуктивність доведення кераміки ZrО2(2) показав притир із сірого чавуну марки СЧ–25 твердістю НВ 241.

Ця тенденція, очевидно, пов'язана з двома факторами: зі зсувом оптимального сполучення стійкості матеріалу притиру абразивному зношуванню, та його шаржування алмазними зернами (аж до "утоплення" зерен алмаза в матеріал притиру) в область більш високої твердості матеріалу притира. При цьому спостерігається тенденція шаржування чавунного притира не тільки в графічну складову, а й у метал притиру.

В результаті дослідження залежності продуктивності обробки від швидкості ковзання поверхонь виявлено, що швидкість зношування матеріалу деталі має лінійну залежність від швидкості ковзання поверхонь (рис. 9 б). Зі збільшенням швидкості різання, швидкість зношування матеріалу зростає. Причому для притирів виготовлених з різних марок сірого чавуну ця залежність різна. Для сірого чавуну СЧ-25 твердістю НВ 241, спостерігається найбільша тенденція зростання швидкості зношування матеріалу, а для сірого чавуну СЧ-10 (твердістю НВ 143) мінімальна. Слід зазначити також, що при швидкості різання близько 0,5 м/с різниця в продуктивності обробки деталі притирами із сірого чавуну різної твердості не спостерігається.

а) | б)

Рис. 9. Продуктивність доведення кераміки ZrO2(2) в залежності від: а – тиску, б – швидкості ковзання поверхонь, (1 – СЧ–25, 2 – СЧ–20, 3 – СЧ–15, 4 – СЧ–10)

При вивченні впливу матеріалу притиру та зернистості алмазної пасти на якість обробленої поверхні встановлено, що мінімальна шорсткість обробленої поверхні забезпечується при використанні притиру з сірого чавуну марки СЧ-10, та алмазної пасти зернистості АСМ /1.

Вимірювання шорсткості обробленої поверхні виконували двома методами: методом сканування ділянки обробленої поверхні з наступною обробкою в програмі MountainsMap Universal – Demo з розрахунком показників Sa та Sz (показники аналогічні загальноприйнятим Ra та Rz, але визначені для поверхні а не для лінії), і виміром шорсткості по лінії з показником Ra. Результати вимірів представлені в таблицях 3 і 4.

Таблиця 3 Показники шорсткості поверхні керамічної деталі в залежності від марки матеріалу притиру

Показники поверхні | Умовні познач. | Марка матеріалу притиру

СЧ–10 НВ143 | СЧ–15 НВ170 | СЧ–20 НВ207 | СЧ–25 НВ241 | Латунь Л 63 | Мідь М 1 | Дуралюмін Д16 | Текстоліт

Середнє арифметичне відхилення профілю | Ra | 0,011 | 0,024 | 0,021 | 0,080 | 0,239 | 0,013 | 0,458 | 0,035

Середнє арифметичне відхилення поверхні | Sa | 0,026 | 0,029 | 0,031 | 0,052 | 0,042 | 0,038 | 0,126 | 0,031

Висота нерівностей поверхні по десяти точках | Sz | 0,217 | 0,499 | 0,327 | 0,717 | 0,669 | 0,177 | 1,800 | 0,287

З таблиці 3 видно, що найнижчу шорсткість обробленої поверхні забезпечує притир із сірого чавуну марки СЧ – твердістю НВ143. Причому для притирів із сірого чавуну спостерігається прямо пропорційна тенденція збільшення шорсткості поверхні зі збільшенням твердості притиру. Експериментальні данні впливу зернистості алмазної пасти на шорсткість поверхні свідчать, що обробку слід закінчувати алмазною пастою зернистістю АСМ 2/1.

Таблиця 4 Показники шорсткості поверхні керамічної деталі в залежності від зернистості алмазної пасти

Показники поверхні | Умовні познач. | Зернистість алмазної пасти

АСМ 7/5 | АСМ 5/3 | АСМ 3/2 | АСМ 2/1 | АСМ 1/0

Середнє арифметичне відхилення профілю | Ra | 0,086-0,090 | 0,041-0,045 | 0, 017-0,023 | 0,015-0,018 | 0,078-0.087

Середнє арифметичне відхилення поверхні | Sa | 0,037 | 0,034 | 0,029 | 0,0253 | 0,065

Висота нерівностей поверхні по десяти точках | Sz | 0,451 | 0,328 | 0,317 | 0,295 | 0,79

У п’ятому розділі на підставі результатів досліджень розроблені технологічні рекомендації щодо обробки точних сферичних поверхонь керамічних деталей.

Суть технологічних рекомендацій полягає в наступному:

Обробка керамічних головок ендопртезів тазостегнового суглобу може виконуватися на універсальному устаткуванні, що забезпечує обертовий рух шпинделя в горизонтальній площині в діапазоні 400 – 600 об/хв (наприклад токарно-гвинторізному верстаті моделі 16К20). При цьому використовується додаткове пристосування для обертання деталі навколо двох осей і притира-цанги.

У патроні токарного верстата закріплюють пристрій для обертання деталі навколо двох осей. Вісь деталі в пристрої розташовується в такий спосіб, щоб вісь обертання пристрою й вісь обертання деталі перетиналися в центрі сфери деталі під гострим кутом b = 15,6 градусів. До деталі притискають кільцевий притир-цангу, з кутом підйому g = 56 градусів, діаметром 0,95 діаметра оброблюваної деталі, вісь якого розташовують під кутом a = 76,8 градусів до осі обертання пристрою. Притир має можливість самовстановлюватися на шарнірі по сферичній поверхні деталі. Притир навантажують за допомогою пружної державки силою Q = 150 H, що діє по осі обертання притира. Пристрою задається примусове обертання, яке за допомогою передаточного механізму з передатним відношенням q ,7 передається деталі, таким чином деталь обертається одночасно навколо двох осей: осі пристрою, і власне осі деталі. Притир обертається вільно під дією сил тертя, що діють у зоні обробки. В зону обробки подається алмазна паста, яка обновляється в міру потреби. Залежно від величини припуску, який необхідно зняти, обробку починають з алмазної пасти АСМ 60/40 або АСМ 40/28, чим більше припуск, тим вище зернистість алмазної пасти. Далі обробку продовжують алмазними пастами марки АСМ зернистістю 28/20, 7/5, 5/3, 3/2 і 2/1. В якості матеріалу притира використовують: під час попередньої обробки – сірий чавун твердістю НВ 241, який забезпечує максимальну продуктивність обробки, на фінішній операції – сірий чавун твердістю НВ 143, який сприяє високій якості поверхні.

Дані рекомендації щодо розташування кутів a і b дані для випадку еквідистантного зняття припуску, для інших випадків розташуванням припуску (що обумовлено вихідною формою заготовки керамічної головки ендопротеза) вони визначається за допомогою рис.6.

За даними технологічними рекомендаціями була оброблена пробна партія керамічних головок ендопротезів тазостегнового суглоба.

Після обробки пробної партії головок ендопротеза суглоба зробили виміри шорсткості поверхні й точності форми їхньої сферичної поверхні і порівняли їх з такими ж параметрами у головок ендопротезів оброблених по технології Соханя С.В. (з однією віссю обертання деталі). Виміри проведені на профілографі-профілометрі моделі “Talyscan 150” фірми “Teylor & Hobson” і кругломірі моделі “Talyround” фірми Teylor & Hobson.

Результати вимірів показали, що головки, оброблені з обертанням деталі навколо однієї осі, мають параметр Ra шорсткості поверхні виміряний в напрямку перпендикулярному до осі обертання деталі в межах 0,021 – ,024 мкм, і на вершині – у межах 0,037 – ,059 мкм. Некруглість перебуває в межах 0,6 – ,8 мкм для перетину, перпендикулярно осі обертання, і в межах 1,7 – ,8 мкм, під кутом 45 до осі обертання головки.

Головки, оброблені за новим способом алмазного доведення з обертанням деталі навколо двох осей, мають наступні показники: параметр Ra шорсткості виміряний в напрямку перпендикулярному до осі обертання деталі перебуває в межах 0,013 – ,020 мкм і в межах 0,014 – ,019 мкм на вершині головки. Некруглість перебуває в межах 0,4 – ,8 мкм для перетину, перпендикулярно осі обертання, і в межах 0,7 – ,9 мкм під кутом 45 до осі обертання головки.

Таким чином, у порівнянні з базовою технологією новий спосіб обробки керамічних головок ендопротезів забезпечує підвищення ефективності процесу алмазного доведення сферичної поверхні за рахунок підвищення якості обробки сферичної поверхні на 20 - 30% і більш високої стабільності показників шорсткості й сферичності на всій сферичній поверхні головки ендопротезу. Також підвищення ефективності процесу алмазного доведення сферичної поверхні проявляється в підвищенні продуктивності обробки за рахунок зменшення мінімально необхідного припуску на обробку та вибору матеріалу притира.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В роботі вирішена науково-технічна задача підвищення ефективності процесу алмазного доведення сферичної поверхні керамічної головки ендопротезу суглоба, за рахунок нового способу обробки, який включає додатковий обертальний рух деталі та квазицентральне навантаження зони обробки, що сприяло зниженню шорсткості поверхні та підвищенню точності сферичної форми і продуктивності обробки;

1. Обґрунтовано необхідність розробки нового способу процесу алмазного доведення головок ендопротезів суглобів, що включає обертання деталі навколо двох осей, що пересікаються та квазицентральне навантаження зони обробки. Показано, що застосування даного способу алмазного доведення забезпечує підвищення точності форми і зниження шорсткості обробленої поверхні (на 20 – %), а також їх рівномірний розподіл по сферичній поверхні головки ендопротеза;

2. Для даного способу обробки розроблена математична модель процесу алмазного доведення сферичної поверхні головок, що описує швидкості ковзання поверхонь та контактних тисків в зоні обробки. На основі розробленої математичної моделі методом розрахункового експерименту досліджені умови що забезпечують вирівнювання швидкості зняття матеріалу по профілю деталі, при цьому встановлено взаємозв’язок кутів a і b і передаточного відношення q. Встановлено кут g притира-цанги, при якому нормальний тиск в зоні обробки є більш рівномірно розподіленим та квазецентрально направленим;

3. Експериментально проведена перевірка розробленої математичної моделі для випадку алмазного доведення головки ендопротезу з обертанням деталі навколо однієї осі, яка дозволила підтвердити її адекватність