Вестник машиностроения:
Научно–технический и производственный
журнал №1. – М: Наука, 1996, С. 23-26.
В связи с прогрессом, достигнутым в области создания конструкционных керамических материалов
на основе карбида кремния, актуальной становится задача разработки эффективного алмазно-абразивного инструмента для прецизионной доводки [1]
деталей из керамики, например торцовых уплотнений насосов для перекачки вязких абразивосодержащих жидкостей. Требования к рабочей поверхности:
неплоскостность 0,5 мкм, параметр шероховатости поверхностей Rz=0,10–0,18 мкм.
В институте сверхтвердых материалов НАН Украины разработан процесс прецизионной доводки
торцовых уплотнений из карбида кремния с использованием алмазных планшайб на металлоорганической связке. Алмазоносный слой такого инструмента
представляет собой матрицу из полимерного связующего с распределенными по ее объему частицами алмаза и наполнителя, в качестве которого
используют порошки металлов: меди, алюминия, цинка и т.п.
Прецизионную доводку торцовых уплотнений с точностью в несколько десятых долей микрометра
осуществляют на полировально-доводочных станках типа ПД или ШП, имеющих поводковый исполнительный механизм (рис.1). При этом нижнее звено 1 – алмазная
планшайба – вращается, а верхнее 2 – деталь – совершает вместе с поводком 3 станка возвратно-поступательные движения подачи относительно нижнего звена.
Шарнирный притир позволяет верхнему звену самоустанавливаться на нижнем звене под действием силы прижима и не препятствует свободному вращению верхнего
звена вследствие его сцепления с вращающимся нижним звеном.
Рисунок 1 – Поводковый исполнительный механизм
На станках типа ПД или ШП поводковый механизм подачи верхнего звена, включающий кривошип и
четырехзвенник, предусматривает практически гармоническое колебательное движение подачи поводка [2]. В 90% случаев обработка прецизионных деталей
применяют симметричный "штрих" (подачу) [3], т.е. симметричный относительно направления "ось шпинделя – ось качения водила" размах угла качания поводка.
Сложное движение любой точки детали относительно инструмента является суммой двух простых движений:
относительного – вокруг оси детали и переносного – вместе с осью детали при ее подаче вдоль инструмента. Установлен закон переносного движения верхнего
звена по нижнему, определяющий траекторию подачи детали относительно инструмента:
где 
– угол поворота детали.
Траектория переносного движения детали циклически повторяется (рис. 2,а). Продолжительность цикла
зависит от соотношения 
. Представив его в виде простой дроби, получим, что знаменатель дроби есть число полных оборотов
планшайбы за один цикл. Максимальная продолжительность цикла – 10 полных оборот планшайбы – имеет место в случае, если числитель этой дроби – простое число.
При возвратно-поступательной подаче поводка станка, ведущего деталь, движение кольцевого торцового
уплотнения сопровождается частичным выходом его за край алмазной планшайбы (см. рис. 2,а). Время контакта центральных и периферийных участков алмазной
планшайбы с деталью и, следовательно, их износ зависят от соотношения диаметров инструмента и детали, конструкции детали, а также выбора режимных и настроечных
параметров (длина "штриха" поперечного эксцентриситета и соотношения частоты вращения инструмента и качания поводка детали). Изменение настройки станка и
режимов обработки исправляют форму алмазной планшайбы, изнашивающейся в процессе доводки, облегчая тем самым достижение необходимой точности формы [3].
Рисунок 2 – Относительный износ кольцевых зон алмазной планшайбы
Ниже рассматриваются вопросы, связанные, с одной стороны, с повышением точности алмазной доводки торцовых
уплотнений из керамики вследствие равномерного износа инструмента и, с другой, – с обеспечением качества обработки вследствие исключения особых точек
траектории движения режуших зерен.
Для обоснованного выбора режимов обработки, в первую очередь при выборе настройки станка и режимов
обработки (длины "штриха", поперечного эксцентриситета и соотношения частоты вращения инструмента и качания поводка детали), и исследования их влияния на
износ алмазно-абразивного инструмента разработали методику компьютерного моделирования процесса доводки, позволяющую получить распределение относительного
износа инструмента в зависимости от его радиуса и основанную на определении суммарной длины контакта участков инструмента с деталью [4] Если рассматривать
круговую область поверхности планшайбы, в которую вписывается траектория центра детали, состояшей из концентрических кольцевых зон одинаковой ширины,
то суммарной длине пути контакта любого участка алмазной планшайбы с деталью в пределах каждой зоны соответствует суммарная длина траектории центра детали
в пределах этой же зоны с учетом ее перекрытия поверхностью детали.
Всю кольцевую область изменения траектории на поверхности планшайбы шириной (рmax – рmin)
разбивают на N кольцевых зон шириной ^p, т.е. N=(рmax – рmin)/^p, где pmin=emin,
.
Тогда за период одного цикла траектории среднему радиусу pcpj=(pj–pj–1)/2
каждой j-й кольцевой зоны соответствует собственная сумма дуг как на возростающих, так и на убывающих ветвях траектории в пределах ограничивающих ее окружностей
радиусов pj и pj–1. В начале цикла p0=pmin=emin, в конце – pк=pmin=emin.
При доводке плоских кольцевых торцовых уплотнений из керамики диаметром 90–160 мм с неплоскостностью N<0,5 мкм
на алмазной планшайбе диаметром 250 мм диапазоны изменения параметров настройки станка и режимов обработки таковы: 
=120–186 мм;
emin=15–35 мм и =0,25–0,35.
При выборе параметров алмазной доводки детали из керамики целесообразно учитывать не только критерий
повышения точности обработки вследствие обеспечения более равномерного износа инструмента, но и критерии обеспечения качества обработки вследствие
исключения особых точек траектории движения режуших зерен инструмента. Из-за возвратно-поступательной подачи деталь движется по своей траектории с
непрерывно изменяющейся скоростью V, т.е. с ускорением. П.Н.Орловым установлено [1]. что при доводке хрупких материалов с ростом тангенциального
ускорения 
увеличиваются число и неоднородность распределения очагов зарождения микротрешин, влияние же нормального ускорения
незначительно. Неравномерное распределение дефектов по поверхности детали, обусловленное особенностями траекторий движения режуших зерен инструмента, может
снижать качество обработанной детали.
Условия ускоренного движения алмазного зерна по обыкновенной перициклоиде моделировали при движении с
возвратно-поступательной подачей свободно вращающегося притира с закрепленными на ней тремя алмазными зернами de=400 мкм по плоскому образцу
кремния диаметром 150 мм. В эксперименте emin=10 мм; 2e=120 мм, 
=0,314 с-1 (2 об/мин);
=0,209 с-1 (3 дв.х/мин) обеспечивали перемещение притира по криволинейной траектории с максимальным тангециальным
ускорением 2,443*10-3 м/с2.
О ширине b и глубине h канавки, оставляемой алмазным зерном на различных участках траектории,
судили по профилограммам, полученным на профилографе мод.Talysurf–5M–120. Из табл. 2 видно, что глубина внедрения алмазного зерна в поверхность детали в
области точек и петель возврата траектории увеличивается в 1,5–3,0 раза.
Таблица 2. Анализ глубины внедрения зерна в поверхность детали
| Участок |
Скорость, м/с |
Тангенциальное ускорение, м/с2 |
b, мкм |
 , мкм |
h, мкм |
 , мкм |
1 |
2,101 |
0 |
3,1 |
0,677 |
1,9 |
0,233 |
2 |
0 |
-2,443 |
10,8 |
0,601 |
2,8 |
0,384 |
3 |
0 |
-2,443 |
48,0 |
9,165 |
15,0 |
3,606 |
Исключить особые точки на траекториях алмазных зерен, обусловленные свободным вращением верхнего звена,
позволяют предложенные в работе [6) принципы стабилизации относительной скорости инструмента.
Компьютерное моделирование траекторий переносного движения торцового уплотнения с диаметрами
100x70 мм при его доводке на алмазной планшайбе диаметром 250 мм при о)к/(о = 0,3, 2е = 180+190 мм показало, что варьирование значением поперечного
эксцентриситета в пределах 25+33 мм при прочих неизменных параметрах приводит к появлению на траектории точек или петель возврата, ухудшающих качество
обработанной поверхности (см. рис. 2).
Торцовые уплотнения указанного размера из горячепрессованного карбида кремния доводили на алмазной
планшайбе зернистостью АСМ 5/3 на металлорганической связке при изменении значений поперечного эксцентриситета в пределах emin=18–24 мм. При этом
неплоскостность рабочей поверхности составила 0,5 мкм; параметр шероховатости Rz=0,06–0,08 мкм.
Список литературы
- Орлов П.Н. Технологическое обеспечение качества деталей методами доводки. М.: Машиностроение, 1988. – 384с.
- Стабилизация относительной скорости на полировально-доводочных станках / А.А. Орац, Н.Е. Стахнив, Е.В. Сенченко, С.В. Сохань // Теория
механизмов и машин. Вып. 47. Харьков: Вища школа, 1989. – с. 39–42
- Технология оптических деталей / Под ред. М.Н. Стемибратова. 2 изд. М.: Машиностроение, 1986. – 368с.
- Сохань С.В. Прогнозирование формы прецизионной плоской детали при доводке связанным абразивом // Сверхтвердые и композиционные материалы
и покрытия, их применение. Киев: Изд-во ИСМ. 1991.
- Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука. 1974, – 831с.
- Орап А.А., Стахнив Н.Е., Сохань С.В. Доводка и полирование прецизионных плоских деталей // Станки и инструмент. 1992. №3. с. 24–27.
Вверх