ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТНОСТЬЮ ШЛИФОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СТЕКЛА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ

Калафатова Л.П.// "Прогрессивные технологические системы машиностроения". Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 1999. Вып.9

Среди причин, определяющих интенсивность процесса диспергирования хрупких неметаллических материалов, глубину и структуру возникающего дефектного слоя, основными являются предел прочности обрабатываемого материала и уровень силового воздействия на формируемую поверхность изделия или энергоемкость процесса резания, от которых зависит напряженно-деформированное состояние материала изделия в зоне резания. Одним из факторов, влияющих на величину и направленность приложенных сил резания, является режим обработки.

Параметры режима - скорость резания (, м/с), глубина резания (, мм), подача (, мм/об. изд), достаточно просто поддаются трансформации. Для некоторых видов шлифования, например, круглого внутреннего или наружного шлифования к параметрам режима необходимо отнести окружную (, м/мин) или угловую (, 1/с) скорости изделия. Влияя на скорость и характер перемещения алмазных зерен относительно обрабатываемой поверхности, параметры режима определяют размеры толщины элементарного среза , снимаемого одним зерном, и, как следствие, величину усилий, действующих на зерна и обрабатываемый материал, производительность процесса шлифования и качество обработки.

где и - фактические глубина резания и среднее расстояние между зернами, мм; и - соответственно, диаметр круга и диаметр изделия, мм; - продольная подача, мм/об. изделия; - ширина рабочей поверхности круга, мм; - коэффициент, учитывающий метод шлифования: для наружного круглого шлифования =1, для внутреннего = - 1, для плоского =0.

Имеющиеся в литературе сведения, однозначно свидетельствуют о существенном влиянии параметров режима шлифования на уровень силового воздействия на обрабатываемый материал. Однако данные об их влиянии на дефектность формируемой поверхности практически отсутствуют. Для установления зависимостей между значениями параметров режима шлифования, составляющими силы резания и дефектностью обработанной поверхности были проведены исследования, результаты которых представлены в настоящей работе.

Исследования проводились при внутреннем шлифовании алмазным кругом 1А1 100х32х3х3 - А 400/315 - 4 - М1 крупногабаритных полых деталей типа тел вращения сложной пространственной формы из ситалла АС-418. Скорость шлифования =30 м/с. Диапазон варьируемых параметров: =0,3 - 1,4 мм; =4,0 - 27,0 мм/мин; =8,3 - 10,5 1/с и охватывал все значения, которые обычно используются в производственных условиях при шлифовании изделий аналогичного класса на различных этапах обработки. Максимальное значение подачи =27,0 мм/мин выбрано как предельно допустимое, исходя из условий нормальной работы инструмента. В качестве технологической среды использовалась вода. Обработка велась инструментом, обладающим установившимся уровнем режущей способности.

В процессе эксперимента исследовалось влияние параметров режима шлифования на дефектность формируемой поверхности и по полученным данным определялся параметр режима, наиболее существенно воздействующий на процесс дефектообразования. Им оказался уровень подачи шлифования. Для группы образцов, шлифованных с различными значениями подачи, помимо оценки дефектности определялась прочность на изгиб (, МПа). Из цилиндрических участков деталей, обработанных в соответствующих условиях, вырезались криволинейные образцы, которые затем подвергались изгибу по трехточечной схеме нагружения.

Визуальный анализ и обсчет микрофотографий дефектных поверхностей ситалла на различных уровнях травления позволил выявить следующие основные закономерности изменения формы и размеров дефектов в зависимости от глубины залегания и режима обработки. Режимы шлифования меняют вид дефектов (пятна, трещины), их размеры, плотность, глубину проникновения и распределение по глубине дефектов различных типов. Известно, что при абразивной обработке хрупких неметаллических материалов, дефекты представляют собой систему трещин, возникающих при динамическом взаимодействии зерен инструмента с обрабатываемым материалом, и распространяющихся в объеме изделия. Таким образом, возникает так называемый дефектный или трещиноватый слой материала (). Микрофотографии травленой поверхности шлифованных в разных условиях образцов представляют собой фрагменты срезов этого трещиноватого слоя, в которых трещины располагаются различным образом. Можно предположить, что дефекты типа пятен - это сечения трещин, уходящих в глубь образца в направлении, близком к нормальному по отношению к обрабатываемой поверхности. Чем меньше диаметр этих пятен, чем быстрее уменьшается их размер по мере заглубления от обработанной поверхности, тем менее массивными были возникшие трещины и тем более щадящим был режим обработки. Этот вид дефектов отмечен на образцах, шлифованных с малыми значениями подач, глубин и скорости вращения детали.

Обработка ситалла в осложненных условиях (большие глубины резания, значительные динамические нагрузки, связанные с увеличением подачи и скорости вращения изделия) приводят к трансформациям размера и направленности развития дефектов-трещин. Направления трещин отклоняются от нормали к поверхности обработки. Они ветвятся, пересекаются, выходят в плоскость травления, проникая на существенную глубину. Эти дефекты далее условно названы как дефекты типа трещин.

На рисунке 1 представлены экспериментальные зависимости изменения относительной плотности и величины усредненного единичного дефекта типа пятен в зависимости от глубины залегания для различных условий шлифования. Как видно из этих рисунков, полученные экспериментальные зависимости = и = имеют экстремальный характер и зависят от подачи, влияющей на уровень сил резания.

Анализ микрофотографий позволяет заключить, что характер распространения дефектов типа трещин, их размер также зависят от параметров режима (прежде всего от величины подачи), или от величины силового воздействия на обработанную поверхность при резании.

Рисунок 1 - Зависимость параметров дефектности: а) - относительной плотности дефектов; б) - величины усредненного единичного дефекта точечного типа от глубины залегания при шлифовании ситалла с режимами: 1 - =0,9 мм, =14,5 мм/мин, =10,5 1/с; 2 - =0,9 мм, =23,0 мм/мин, =10,5 1/с

На рисунке 2 показаны диаграммы изменения величины усредненных единичных трещин и относительной плотности дефектов всех типов в зависимости от глубины залегания для двух крайних по уровню подач режимов обработки. Сопоставляя полученные данные, можно отметить, что изменение подачи существенно сказывается на структуре и глубине дефектного слоя ситалла. При минимальном значении подачи (=4,0 мм/мин) получены лучшие результаты по дефектности обработанного материала - наименьшие по сравнению с другими рассматриваемыми режимами размеры дефектов в сочетании с их низкой плотностью. На глубине 170 мкм обеспечен практически выход на бездефектную поверхность. Трещиноватый слой развит слабо и проникает на глубину не более 20 мкм. Причем первый уровень травления (10 мкм) отличает высокая плотность мелких дефектов. Размер дефектов типа пятен в среднем составляет =11,5 мкм, длина трещин =180 мкм.

Увеличение подачи вдвое (=8,8 мм/мин, режим №2) приводит к резкому возрастанию параметров дефектной поверхности практически

на всех уровнях травления, достигая двукратного увеличения размера дефектов в приповерхностном слое (40 мкм). При этом глубина дефектного слоя увеличивается до 250 мкм. Трещиноватый слой развит слабо и представлен крупными трещинами, выходящими на травленую поверхность на глубине 120 мкм. Режим обработки № 3с уровнем подачи =14,5 мм/мин отличает развитая трещиноватость поверхности образцов, уходящая вглубь от уровня 20 мкм до 100 мкм и вновь появляющаяся на глубине 160 мкм.

При максимально допустимой с точки зрения нормальной эксплуатации инструмента подачи (=27,0 мм/мин) размеры и плотность дефектов типа пятен практически равнозначна величине соответствующих параметров, полученных в результате обработки детали с режимом №2. Однако дефектность при более нагруженном режиме шлифования ситалла отличает развитый трещиноватый слой, образованный сплошными трещинами, формирующимися на глубине 70 мкм и распространяющимися до уровня 140 мкм (см. рис.2, режим № 4). В результате структура дефектного слоя отличается большей насыщенностью, что предполагает возможность более низкой прочности изделия, обработанного на этом режиме, по сравнению с обработкой при других рассматриваемых вариантах.

Результаты испытаний на прочность образцов, вырезанных из деталей, обработанных с параметрами режима =0,9 мм, =10,5 1/с и при вариации подач, приведены на рисунке 3. В процессе исследований установлено, что прочность образцов является функцией дефектности обработанной поверхности, которая зависит от величины подачи шлифования. Так обработка с минимальной подачей (режим №1) приводит к наименее развитому дефектному слою, чем обеспечивается наиболее высокая прочность образцов. Увеличение подачи до следующего уровня сопровождается увеличением дефектности обработанной поверхности и пропорциональным падением прочности. Шлифование ситалла с максимально допустимой подачей (режим №4) отличает наиболее развитая структура дефектного слоя, включающая глубокие единичные трещины, распространяющиеся на значительную глубину от обработанной поверхности. Прочность образцов при этом режиме минимальна и, практически, вдвое меньше, чем при использовании режима №1. Таким образом, можно отметить, что увеличение подачи шлифования сопровождается немонотонным падением прочности образцов. Для обеспечения требуемой прочности изделия дефектный слой, внесенный при шлифовании, должен быть удален на последующих операциях доводки и упрочнения изделий.

Рисунок 4 - Зависимость результатов прочностных испытаний деталей от уровня подачи при шлифовании

Обобщая полученные результаты, можно заключить следующее. Интенсификация режима обработки за счет увеличения глубины резания, подачи, скорости вращения детали вызывают увеличение сил резания, приводит к развитию дефектности поверхностного слоя изделия и, как следствие, к снижению его прочностных характеристик. Изменяя параметры режима шлифования, возможно управлять дефектностью обработанной поверхности ситаллов и других материалов на основе стекла.