Системный подход к формированию качества изделий при алмазном шлифовании керамики
В настоящее время в мире наблюдается тенденция производства изделий из неметаллических и композиционных материалов, которые все шире заменяют металлы во многих отраслях промышленности. Эта тенденция связана со снижением себестоимости продукции при одновременном повышении их срока службы, надежности. Особое место среди неметаллических материалов занимает конструкционная керамика (КК). Работы по керамическим материалам во всем мире резко интенсифицируются, расширяются области применения этих материалов и рост капиталовложений в разработку материалов, технологию их производства и изготовления. Ее применяют для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по жаростойкости, износостойкости, коррозийной стойкости и т.д. .
Процесс изготовления деталей из керамики, как и любую техническую систему, можно представить в виде множества элементов, взаимосвязанных между собой и образующих единое целое. Наряду с выбором материала, что предполагает выбор комплекса физико-механических свойств, необходимо обеспечить требуемые показатели поверхностного слоя деталей при их изготовлении и подготовке к работе, которые формируются последовательно на ряде этапов. Эксплуатационные требования определяются назначением детали, функциями которые она выполняет и условиями работы изделия.
Технология производства керамических заготовок состоит из следующих стадий [1 ]: синтез материала термическим или химическим путем; помол и смешение для получения заданного по размерам частиц порошка; приготовление полуфабриката, т.е. смешение со связкой; оформление заготовки прессованием, горячим или холодным литьем и т.п.; обжиг в камерных или туннельных печах без давления или под давлением в заданной газовой среде.
Все вышеперечисленные технологические стадии случайным образом влияют на значение коэффициента усадки керамики при высокотемпературном обжиге. Следовательно, получить необходимую точность керамических деталей без механической обработки практически невозможно. Наряду с этим очень важно на этапе формирования заготовки получить требуемую структуру, размеры и ориентацию зерен, которые оказывают существенную роль на физические и эксплуатационные свойства готовых изделий.
В технологическом процессе можно выделить несколько этапов: изготовление исходного сырья, получение заготовки, механической обработки и упрочнения изделия. Таким образом, мы имеем упорядоченное множество подсистем, разделенных по функциональному признаку, образующих целостное единство, которые выполняют главную функцию системы – формируют эксплуатационные свойства детали. Любую составную часть системы можно выделить и рассматривать отдельно. Эта изолированность относительна, так как взаимодействие между выделенной частью и другими подсистемами, окружающей средой влияет на поведение и свойства этой части. Делимость системы позволяет без потери главных свойств упростить изучение сложных систем.
Остановимся более подробно на подсистеме механической обработки, которая входит как неотемлемая часть в технологический процесс изготовления детали из КК. Главной целью механической обработки деталей является обеспечение заданной геометрической формы, размеров и формирование оптимального технологического качества поверхностного слоя. Под термином «качество поверхности» подразумевается совокупность свойств поверхностного слоя обрабатываемого материала (шероховатость, плотность дислокаций, дефектность структуры и другие характеристики). Эти свойства определяют эксплуатационные, в частности антифрикционные, свойства и долговечность элементов трущихся элементов сопряжения [2 ].
Алмазное шлифование является наиболее эффективным способом съема материала припуска в керамических заготовках, вследствие их высокой твердости. Размеры припусков на чистовое шлифование определяются необходимостью снятия дефектного слоя, возникающего на предыдущей стадии, а также необходимостью приблизиться к точной геометрической форме. За счет дефектов поверхностного слоя в материале детали при эксплуатации происходит быстрое накопление и развитие повреждений, приводящее к образованию трещины и к разрушению материала детали.
Системный подход к анализу процессов образования поверхностей шлифованием [3] позволяет найти правильный путь к выбору условий, при которых обеспечивается формирование требуемых параметров качества поверхности детали. Главное назначение системы шлифования – удаление припуска при обеспечении обеспечение заданной геометрической формы, размеров и формирование оптимального технологического качества поверхностного слоя. Структурная схема формирование эксплуатационных характеристик при алмазном шлифовании керамики приведена на рис. 1.
Декомпозиция технологической системы позволяет выявить роль каждой из подсистем, установить входные и выходные переменные, основные связи между подсистемами. В состав системы обработки (в том числе и шлифования) входят: заготовка, инструмент, станок, которые объединены системой управления. Функционирование технологической системы шлифования определяются конструкцией станка, физико-механическими свойствами материала заготовки ее формой, размерами и величиной припуска, характеристикой инструмента, кинематикой и динамикой процесса, алгоритмом управления.
В основе формирования эксплуатационных свойств детали лежат физические и химические процессы и явления, возникающие между режущими элементами инструмента и обрабатываемой поверхностью, которые определяют силовое взаимодействие между зернами круга и удаляемым припуском. Сила резания на зерне зависит от физико-механических свойств и сечения среза материала на нем. Распределение припуска по зоне резания в свою очередь определяет и распределение сил резание по ней. Поэтому изучение закономерностей формирования поверхностного слоя керамических деталей невозможно без изучения кинематики взаимодействия ШК и заготовки, вероятностного характера контакта алмазных зерен с материалом припуска.
Изменение состояния рабочей поверхности круга происходит как через изменение макропрофиля, так и микропрофиля. Макропрофиль круга изменяется вследствие неравномерного линейного износа круга вдоль его образующей и на
правляющей. Неравномерное распределение сил резания вдоль образующей круга приводит к неравномерному износу, что вызывает изменение формы зоны резания и перераспределение припуска по ней. Изменение макропрофиля происходит до тех пор, пока износ вдоль образующей не стабилизируется.
Образования площадок износа на вершинах режущих кромок вследствие абразивного и адгезионного изнашивания, скалывание микрочастиц абразивных зерен и вырывание целых (или оставшейся их части) абразивных зерен из связки приводят к изменению формы алмазных зерен и распределению их по высоте на рабочей поверхности круга. Это приводит к изменению числа активных зерен, участвующих в удалении материала припуска, сечению среза и сил резания на них. Начальные условия формирования поверхностного слоя детали изменяются.
Согласование взаимодействия подсистем обработки за счет рационального выбора схемы шлифования позволяет изменить направление действия равнодействующей силы резания, направив ее в обрабатываемый припуск и обеспечивая его предразрушение при снижении силового воздействия на слои материала лежащие за линией среза и тем самым, снижая нарушенный обработкой дефектный слой детали [4]. Не меньшего эффекта можно достичь за счет перераспределения материала припуска по рабочей поверхности круга, увеличив площадь контакта, демпфирование в системе и как следствие виброустойчивость шлифования.
В процессе работы происходит изменение состояния рабочей поверхности круга, которое приводит к изменению уровня силового взаимодействия инструмента и заготовки. Мы имеем дело с динамической системой изменяющей свои характеристики в процессе работы. Усложняя подсистему шлифовального круга за счет введения периодической или непрерывной правки [5], активного создания микрорельефа на поверхности зерен, возможно, снизить уровень силового и теплового воздействия на обрабатываемую заготовку и тем самым обеспечить повышение качества поверхностного слоя детали.
С другой стороны, усложняя подсистему ШК за счет применения составных кругов или применяя систему кругов можно за счет рационального перераспределения припуска формировать как микрорельеф поверхностного слоя, так и дефектный слой целенаправленным образом. Таким образом, усложняя иерархическую структуру, можно создавать новые технические системы шлифования, повышающие эффективность реализации главной полезной функции – обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик деталей из КК.
Сегодня многие институты Украины и Донецкой области работают над проблемами изготовления и применения изделий из КК в промышленности. В Донецком национальном техническом университете на кафедре “Металлорежущие станки и инструменты” длительное время занимаются вопросами обеспечения качества изделий из технической керамики, ситаллов, разработкой перспективных способов алмазного шлифования и поддержания режущей способности шлифовальных кругов. На кафедре были разработаны конструкции торцовые уплотнения с использованием керамических материалов. Их применение при обеспечении качества поверхностного слоя рабочих поверхностей, позволяет надежно защитить узел трения от попадания в него угольного штыба обеспечить долговечность и надежность работы машин.
1. Беляков А.В. Технология машиностроительной керамики // Серия. Технология силикатных тугоплавких неметаллических материалов. - М.: ВИНИТИ, 1988.- Том 1. - С.3-71.
2. Гропяков В.Н., Рыжиков А.Л., Кадыров Ш.А. Влияние некоторых технологических параметров на износостойкость алюмооксидной керамики.// Трение и износ. - 1989. - Том 10, №6.- С.1124-1127.
3. Новоселов Ю.К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке. – Саратов: Издательство Саратовского университета, 1979. – 232с.
4. Гусев В.В. Повышение качества и долговечности изделий из керамики за счет применения прогрессивных схем шлифования // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сборник научно-техн. трудов. - Донецк: ДонГТУ. - 1994. - Вып.1. - С.14-24.
5. Матюха П.Г. Научные основы стабилизации выходных показателей алмазного шлифования с помощью управляющих воздействий на рабочую поверхность круга: Дис… д-ра техн. наук: 05.03.01 / ДПИ. – Донецк, 1996. – 523с.