|
Развитие современного машиностроения связано с разработкой и внедрением новых материалов и прогрессивных технологических процессов их обработки. К таким материалам с Полным основанием можно отнести технические стекла и различные виды керамики, в частности, ситаллы - разновидность стеклокристаллической керамики. Обладая повышенной хрупкостью и низким пределом прочности на растяжение. Технические стекла и ситаллы имеют вместе с тем ряд ценных свойств, которые находят предельные выражения у ситаллов. Ситаллы получаются путем тонкой кристаллизации стекол или расплавов различных составов, что приводит к получение мелкозернистой и равномерной структуры, обеспечивающей высокие механические и термомеханические свойства изделий. Ситаллам присущ дефекты структуры, обусловленные особенностями технологии его изготовления. Дефекты структуры имеют вид острых микротрещин протяженностью 5-10 мкм, равномерно расположенных в объеме материала с плотностью 2х103 м-2. Прочностные характеристики ситаллов достигают следующих значений: термостойкость до 900 0С, жаропрочность под нагрузкой до 1200°С, предел прочности при сжатии 1600МПа, микротвердость НV =8500 МПа. Ситаллы не подвержены действию коррозии, стойки к воздействию агрессивных сред; радиопрозрачны. Перечисленные комплексы свойств стекломатериалов предопределили область их применения. Для ситаллов это приборостроение радиоэлектронная и Химическая промышленности, ядерная энергетика, самолето - и ракетостроение, космическая техника. Широкие перспективы открываются для применения ситаллов при производстве двигателей. В настоящее время в Японии уже налажено производство двигателей из керамики по свойствам близкой к ситаллам. Технические стекла в значительном объёме используются для производства светотехнических изделий; эксплуатируемых в широком диапазоне температурных нагрузок, примером которых могут служить полированные отражатели прожекторных установок. Специфика эксплуатации изделий из стекол и ситаллов предопределяет повышенные требований к их прочностным характеристика, точности и качеству изготовления, которые для материалов рассматриваемого класса в значительной степени определяются шероховатостью обработанной поверхности, структурой и глубиной дефектного слоя. Однако полутоне высоких качественных показателей затруднено из-за низкой обрабатываемости стекламатериалов, Так механическая обработка ситаллов возможна лишь абразивным алмазным инструментом, оснащенным преимущественно естественными алмазами. Особенностью механической обработки изделий из стекол и керамики являются большие припуски на обработку (до 10 мм и более) из-за невозможности получения точных заготовок, что особенно затруднительно при производстве крупногабаритных изделий сложной пространственной формы. В этих условиях технологические процессы (ТП) механической обработки отличаются многостадийностью, что иллюотрируется таблицей. Этапы обработки изделий из технических стекол и ситаллов.
Трудоемкость каждого этапа примерно соответствует отношению 1 : 3 : 12. Общая продолжительность обработки крупногабаритных не¬делим может достигать 90 и более часов. Экспериментально установлено, что эксплуатационные характеристики изделий из материалов на основе стекла, такие как прочность, термостойкость, радио - и оптическая прозрачность, отражательная способность, существенно зависят от глубины и структуры поверхностного дефектного слоя. Поэтому сведение к минимуму дефектности обработанной поверхности - первоочередное требование при производстве ответственных изделии из этих материалов. На параметра дефектного слоя влияют физико-механические свойства обрабатываемого материала, его исходная дефектность, а также условия обработки и, в первую очередь, величина сил, действующие на обрабатываемую поверхность детали. При шлифовании силовые характеристики процесса определяются рядом факторов: прочностью обрабатываемого материала; схемой шлифования; режимными параметрами процесса; технологическими параметрами инструмента, его режущей способностью, зависящей от степени износа абразивных зерен; физико-химическими свойствами применяемой технологической среды (ТС), ее сродством с обрабатываемым материалом. При сравнении вариантов ТП, отличаются одним или несколькими, перечисленными факторами, критерием их эффективности могут выступать глубина и структура образующегося в результате обработки дефектного слоя. Изложенное позволяет определить основные направления обеспечения заданных выходных параметров ТП механической обработки хрупких неметаллических материалов: выбор схемы обработки и оптимизация ее геометрических параметров; определение рациональных значений параметров режима обработки; разработка и применение ТС с направленными эксплуатационными свойствами; выбор способа управления эксплуатационными характеристиками инструмента и оптимизация его технологических параметров. Авторами был проведен комплекс научных исследований,связанных с разработкой прогрессивных ТП обработки изделий из материалов на основе стекла, базирующихся на приведенных выше положениях . Для таких конструкционных материалов, как технические стекла и ситаллы, практически отсутствуют научные знания о механизмах образования качественных показателей обработанной поверхности, особенно параметров дефектного слоя, и методах их оценки. Для исследования глубины и структуры нарушенного обработкой слоя материала использовался капиллярный метод люминесцентной дефектоскопии в сочетании с послойным химическим травлением образцов, позволяющий получить неискаженную картину нарушенного слоя на различных уровнях залегания и выявить дефекты протяженностью от 0,1 мм до 1 мкм с погрешностью не более 10%. Выбраны критерии оценки структуры дефектного слоя: относительная плотность дефектов S от, % и величина усредненного единичного дефекта dв мкм. Расчет этих параметров осуществлялся на основании анализа микрофотографий дефектной поверхности образцов. Образование дефектов в обрабатываемом материале в процессе шлифования - связано с действием значительного количества факторов главным из которых является сила шлифования на отдельно взятом зерне, вызывающая появление совершенно определенного напряженно - деформированного состояния в объеме твердого тела, подвергаемого воз действию абразивного инструмента. Теоретический анализ с использованием метода конечных элементов существующих схем взаимодействии инструмента с материалом детали показал, что в случае приложения силы по нормали к поверхности в локальном объеме в окрестности действия силы образуются две зоны разрушения. Одна - с большим сжимающими напряжениями, вторая - с критическими значениями растягивающих напряжений. При этом в гоне растяжения формируется конусообразная кольцевая трещина, а в зоне сжатия - разветвленная сеть трещин (рис. 1,а). Сравнение значений относительных сдвигов берегов трещины и коэффициентов интенсивности напряжений с учетом ориентации и расположения трещин на схеме деформационной картины образцов позволило заключить, что при данной схеме нагружения развитие дефектов структуры ситалла происходит преимущественно за счет сдвиговых деформаций. Величина смещений берегов трещин Пропорциональна величине внешней нагрузки и зависит от координаты расположения трещины и ее углового положения по отношению к линии действия внешних сил. Эффективность использования энергии подводимой извне к обрабатываемому материалу черев инструментов процессе формообразования, для рассматриваемой схемы равна 5%, остальная энергия используется для создания напряженно-деформированного состояния В локальней области контакта верна с твердым телом. Причем распределение энергий по объему неравномерно, большая ее часть накоплена в микрообъемах с за критическими сжимающими напряжениями, а меньшая часть - в микрообъемах с за критическими напряжениями растяжения. В связи с наложенным, одним из путей уменьшения, развития дефектов может служить выбор такой схемы обработки, которая позволяет снизить напряженность в микрообъемах материала Под обработанной поверхностью за счет уменьшения сжимающие напряжении, ответственных за сдвиг. Теоретический анализ напряженного состояния материала, обрабатываемого по схеме, имитирующей воздействие инструмента на деталь через обрабатываемую поверхность (рис. 1,6). Показал, что разрушение происходит преимущественно за счет того, что напряжений растяжения достигают некритических значений, в то время как главные сжимающие напряжения в микрообъемах не превышают 8% от критических. Причем основной градиент напряжений сосредоточен в объеме удаляемого припуска, поэтому использование рассматриваемой схемы будет способствовать снижению дефектности формируемой поверхности.  На основании полученных теоретических результатов была разработана и внедрена схема обработки конкретных изделий из ситаллов, реализующая при разрушении припуска принцип снижения уровня сжимающих напряжений, возникающих в обработанной поверхности, за счет благоприятной направленности усилий шлифования. Были проведены исследования, позволившие установить влияние схемы шлифования на дефектность обработанной поверхности изделий и их прочностные характеристики. Для этого на образцах, вырезанных из деталей, обработанных по каждой из рассматриваемых схем, определялись глубина и структура дефектного поверхностного слоя и прочность на изгиб. Разрушение образцов проводилось по трехточечной схеме нагружения. Сравнивая результаты, полученные при обоих вариантах обработки, можно заключить следующее. Применение предлагаемой схемы шлифования позволяет в среднем на 20% снизить размеры дефектов в поверхностном слое изделия глубиной до 80 мкм, то есть в непосредственной близости от поверхности обработки, где влияние размера, формы и расположения дефектов на изменение прочности обработанной детали проявляется наиболее сильно. Кроме этого глубина развитого дефектного слоя уменьшается на 30%. Следствием благоприятной структуры образующегося нарушенного обработкой слоя при предлагаемой схеме явилось повышение прочности из изделий на 20%. Известно, что составляющие силы резания при шлифовании, воздействующие на инструмент и обрабатываемый материал, зависят от параметров режима шлифования: подачи (S), глубины резания (t); скорости шлифования (V). Установлено [4], что интенсификация режимов резания, в первую очередь t и S, сопровождается ростом усилия резания, особенно нормальной составляющей силы шлифования Ру, направленной в обрабатываемый материал и определяющей рост дефектов. Вне зависимости от схемы обработки увеличение подачи и глубины резания сказывается отрицательно на дефектности формируемой поверхности. Так при изменении подачи от S =0,109 мм/об до S = 0,256 мм/об на уровне травления hТР=150 мкм размер дефектов, внесенных обработкой, увеличивается в 3,5 раза, а при hТР=225 мкм при меньшей подаче дефекты практически отсутствуют, в то время когда обработка с большей подачей сопровождается наличием на этой глубине дефектов размером до 300 мкм. Все это является сдерживающим фактором повышения производительности обработки, за счет интенсификации режимов шлифования. Одним из эффективных методов воздействия на процессы резания при обработке хрупких неметаллических материалов на основе стекла являйся применение технологических сред с направленными свойствами в этом случае ТС помимо выполнения традиционных охлаждающей, смазочной и моющей функций оказывают существенное диспергирующее действие. Последнее, за счет разупрочнения поверхностных слоев материала под действием ТС, позволяет интенсифицировать процессы резания и, как следствие, повысить производительность обработки и работоспособность инструмента. Уменьшение энергетических затрат, приходящихся на единицу объема удаляемого припуска, благоприятно сказывается на глубине и структуре нарушенного обработкой слоя. Как показали результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований, ТС для обработки изделий из стекломатериалов должна быть родственной по физико-химической структуре обрабатываемому материалу, то есть быть полярной, содержать в своем составе поверхностно - активные добавки, повышающие диспергирующее действие среды, улучшающие ее доставку в зону обработки за счет возрастающей способности к смачиванию и растеканию по поверхности обрабатываемого материала, а также повышающие смазочную способность сред за счет создания экранирующих пленок между поверхностями изделия и инструмента. Среда должна быть безвредной для здоровья рабочих, экономичной и простой в приготовлении. Исходя из сформулированных требований, был осуществлен анализ составов существующих ТС, рекомендуемых для обработки материалов на основе стекла, и состояния их применения на стеклообрабатывающих предприятиях Украины. Установлено, что в промышленности на операциях шлифования стекломатериалов в основном в качестве ТС используется вода, а на операциях лезвийной обработки стекла - технический керосин, который является пожароопасной средой, ухудшающей условия труда и не обеспечивающей должного качества формируемой поверхности. Это позволило сделать вывод о необходимости создания полярных ТС, обладающих повышенной диспергирующей способностью по отношению к материалам на основе стекла. Проведенными исследованиями было установлено, что водные растворы ряда синтетических моющих средств (CMC) являются сильными поверхностно-активными средами по отношению к стекломатериалам, что позволило разработать ряд составов ТС на основе водных растворов оме, содержащих в качестве ПАВ оксиэтилированные жирные спирты и алкилмоносульфаты. Предлагаемые среды предназначены: для лезвийной обработки стекла СОЖ №1 , шлифования стекол и ситаллов СОЖ №2. Кроме этого был предложен способ получения полировальной суспензии для техническим стекол , повышающий ее полирующую способность и качество поверхности полируемых деталей за счет предварительной обработки полирита водным раствором CMC определенной концентраций. В лабораторных и производственных условиях при обработке технических стекол; ситаллов и хрустали было испытано более 18 составов ТС, включая среды, рекомендуемые в литературе, разработанные авторами, а также воду и керосин. В зависимости от типа и физико-химических свойств, поверхностной активности по отношению К обрабатываемому материалу среды по разному влияют на энергоемкость процессов резания, развитие и характер структуры дефектного слоя, интенсифицируя или ослабляя его развитие. Для оценки энергоемкости процессов диспергирования при резании использовался такой параметр, как удельная интенсивность формообразования, равная отношение производительности процесса к работе, затрачиваемой на разрушение материала припуска в единицу времени. Было установлено, что при шлифовании технических стекол алмазным инструментов и свободным абразивом применение разработанной среды СШ N2 обеспечивает снижение энергоемкости процесса шлифования по сравнению с водой до 2 раз, по сравнению со средами на основе масляных эмульсолов на 207. При шлифовании ситалла использование СОЖ снижает энергоемкость процесса обработки по сравнению с водой в 1,5-2 раза, но практически не меняет силовые затраты на процесс диспергирования припуска в сравнении с лучшими из масляных эмульсоров. Однако было установлено , что Использование на операциях шлифования ситаллов сред, содержащих в своем составе. Неполярные, масляные включения, противоположные по своей природе обрабатываемому материалу (эмульсола НГЛ-205, ЗМУС), нежелательно из-за резкого возрастания дефектов (длина дефектов до 150 мкм), проникавших в глубину 120 мкм и более. Все это отрицательно скажется на трудоемкости последующих доводочных операций или, в случае применения этих сред на окончательной операции обработки изделий, приведет к резкому уменьшен их прочностных свойств и снижению эксплуатационных характеристик. Применение наиболее активной из всех испытанных сред СОЖ №2 положительно влияет на глубину и структуру поверхностного слоя изделий. При этом действие среды носит двойственный характер. С одной стороны, уменьшение прочностных характеристик поверхностного слои стекломатериалов под влиянием ПАВ сред приводит к облегчению разрушения припуска и при заданном усилии на инструменте - к интенсивному распространению трещин вглубь образца. Об этом свидетельствует высокая плотность дефектов в сочетании с их обширными размерами в верхних слоях нарушенного слоя, составляющего по глубине для ситалла hтр=80 мкм. для стекла hтр =100 мкм. С другой стороны, интенсивное развитие трещиноватого слоя приводит к более равномерному распределению напряжений и торможению их распространения вглубь материала. При этом затухание и полное исчезновение градиента напряжений, приводящего к развитию внесенных и раскрытию имеющихся в структуре материала дефектов, происходит раньше, чем при воздействии менее активных сред. Об этом свидетельствует резкое уменьшение размеров и плотности дефектов, на глубине более 140 мкм,. отсутствие крупных трещин. Изучение характера влияния СОЖ №2 на параметры дефектного слоя стекломатериалов позволяет определить область рационального применения этой среды операции чернового и получистового шлифования. СОЖ №2, обеспечив развитую трещиноватость в приповерхностном объеме нарушенного слоя в сочетании с мелкодефектной структурой более глубоких слоев, позволит существенно снизить время обработки на последующих технологических переходах. Это возможно, во-первых, за счет облегчения съема верхнего ослабленного слоя материала, во-вторых, за счет уменьшения глубины снимаемого припуска, определяемой качеством образующейся поверхности. Применение СОЖ №2 позволяет по сравнению с водой уменьшить размеры единичных дефектов в 1,4.-3,5 раз при уменьшении глубины, дефектного слоя, в среднем, на 30%. Это делает возможным увеличение подач шлифования на 30-60% по сравнению с принятыми на производстве без ущерба качеству обработки и прочности изделий. Математическая обработка результатов при аппроксимации экспериментально полученных зависимостей Sот=f(hтр) и dд=f(hтр) с учетом поверхностной активности ТС и давления в зоне шлифования позволила получить выражения для их описания в виде полиномов четвертой степени. Были составлены таблицы для определения величины дефектного слоя стекломатериалов, обработанных в различных средах при вариации режимов и условий обработки. Полученные математические зависимости параметров дефектности материален позволяют теоретически обосновать величины межоперационных припусков, что при обработке специальных изделий из стекломатериалов представляет собой важную технологическую задачу, так как от этого зависит производительность процесса обработки изделий пооперационно и в целой, а также их качественны характеристики.  Известно, что минимальный расчетный асимметричный припуск Zi min составляет Rzi-1 , T i-1 - соответственно высота микронеровноcтей, глубина дефектного слоя и суммарное значение пространственных отклонения поверхности на предшествующих переходах; yi- погрешность установки детали на выполняемом переходе. Часть припуска Zi min = Rzi-1 + T i-1 зависит от метода обработки и представляет собой глубину нарушенного слоя. Таким образом, для назначения рациональных припусков необходимо иметь сведения о параметрах и Rzi-1 и T i-1 применительно к конкретным условиям механической обработки. На рис.2 графически представлена зависимость усредненных единичных дефектов от глубины травления при шлифовании стекла свободным абразивом различной зернистости. Меньшему размеру используемого при обработке свободного абразива соответствует меньший размер исходного дефекта, то есть дефекта, расположенного непосредственно на обработанной поверхности. При обработке стекломатериалов на промежуточной стадии нет необходимости полностью сошлифовывать дефектный слой, оставшийся в материале после предшествующего перехода, так как переход от черновых операций к получистовым и чистовым сопровождается сменой инструмента (последовательное уменьшение зернистости) и изменением режимов обработки, они становятся менее напряженными. При этом снижается высота микронеровностей обработанной поверхности, изменяется структура и глубина дефектного слоя. При определенной глубине шлифования размеры дефектов, вносимых работающим инструментом, становятся соизмеримыми с дефектами, образованными в материале на предыдущем этапе обработки. Поэтому величину припуска следует назначать из условия равенства размеров вносимого дефекта и уже внесенного на предыдущей стадии обработки. Считая условно площадь единичных дефектов площадью круга, были определены соотношения между размером исходного дефекта, образующегося на обрабатываемой поверхности, и величиной микронеровностей рельефа. Знай размер исходного дефекта, вносимого каждым инструментом в обрабатываемый материал, и имея зависимости, описывающие распределение дефектов на различных уровнях уже образованного в материале дефектного слоя, можно определить рациональную величину припуска на шлифование. Использование полученных результатов позволило разработать эффективные технологические процессы механической обработки изделий из стекла и ситаллов, отличающиеся рациональными схемами и режимами шлифования, применяемыми составами ТС сочетании о теоретически обоснованными величинами межоперационных припусков на обработку. Внедрение на производстве ТП позволяет повысить производительность обработки изделий из ситаллов на 20%, изделий из стекла - на 25-30% при выполнении требований по качеству формируемой поверхности.  Список литературы:
|