МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАПОТА АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Механический факультет
Кафедра "Металлорежущие станки и системы"
группа МС-97б
E-mail:rapotaflash@ukr.net

Автореферат магистерской работы

Усовершенствование качества поверхности и процесса доводки сферических поверхностей изделий из технической керамики.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Актуальность темы
Практическая ценность
Анализ способов обработки
Методы доводки
Влияние технологических факторов на процесс доводочной обработки
Материал притира
Особенности доводки
Перечень ссылок

---

Вверх   АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ:
   Конструкционные керамические материалы все более широко используются в машиностроительной, химической и других отраслях промышленности значительного количества подшипников, насосов, измерительных механизмов, ресурс работы которых в значительной мере определяется работоспособностью прецизионных сфер. Прецизионные сферы как правило изготавливаются из стали и поэтому у в условиях интенсивного абразивного износа, коррозионного и других видов износа быстро выходят из строя.

    Поэтому в таких условиях наиболее эффективно использовать конструкционную керамику благодаря таким особенностям, как низкий коэффициент трения и теплового расширения, высокие показатели твердости, износостойкости, термостойкости и химической инертности. Работоспособность деталей типа возможностей механизмов в которых они используются. Прежде всего это касается сфер для клапанов "шар-седло". Применение сферы из конструкционной керамики позволяет существенно расширить область применения клапанов у увеличить их срок службы этого вида клапанов.

Вверх   ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

   В результате работы получили новое станочное приспособление для сверлильного вертикально станка для притирки сфер из конструкционной керамики, которое позволяет обработывать сферы по методу комбинированного притира. Разработан технологический процесс механической обработки керамических сфер и колец , предназнвченных для перекрытия и регулирования потоков жидких и газообразных сред в газовой, химической, спиртовой, пищевой и медицинской промышленности. В кране герметичность обеспечивается за счет высокой точности соприкасаемых поверхностей.

К преимуществам кранов можно отности:высокую герметичность и надежность;успешную работа с абразивными, агрессивными и токсичными средами; более высокую долговечность и надежность соединения;

Вверх    АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ

  Доводка является окончательным методом обработки, обеспечивающим высокое качество поверхностного слоя до Rz=0.050….0.010 мкм, Требования к точности размеров и формы плоских , цилиндрических, сферических поверхностного слоя прецизионных деталей машин и приборов обеспечиваются на окончательных операциях изготовления методами абразивной доводки. Работоспособность сопряженных поверхностей трения топливных насосов и форсунок, гидрораспределителей дросселей, уплотняющих поверхностей корпусов задвижек, вентилей зависит от геометрической точности и шероховатости рабочей поверхности, свойства поверхностного слоя.

Вверх   МЕТОДЫ ДОВОДКИ.

  Основным этапом проектирования процесса доводки является: выбор метода доводки. Различают два метода доводки в зависимости от типа инструмента (притира ): доводка незакрепленными зернами абразива в составе абразивных паст и суспензий и доводка закрепленными зернами абразивного круга (шаржирование притирами и абразивными кругами).

При обработке незакрепленными зернами выбирают мягкий абразив, мало способный внедрятся как в обрабатываемый материал, так и в материал притира. При предварительном шаржировании обращают внимание на то, что бы абразивные частицы не растирались, а вдавливались в материал притира. Этот способ обеспечивает высокую точность, но является более трудоемким. Шаржирование заключается во внедрении и достаточно прочном закреплении абразивных зерен в ферритных и графитных включениях на поверхности чугуна.

  Лучшие результаты по шаржированию достигаются когда размеры зерен наиболее близки к размерам ферритных и графитных включений и при повышенной однородности зернового состава. Если притир шаржируется абразивом в процессе работы, то абразивная суспензия подается периодически или непрерывно. При этом способе материал притира должен быть мягче обрабатываемого материала, либо иметь на поверхности мягкие включения (феррита, графита), с тем, чтобы абразив мог внедриться в процессе обработки под давлением в поверхность притира. При этом обеспечивается большая производительность, но меньшая чистота поверхности по сравнению с предыдущим способом.

Вверх   ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ДОВОДОЧНОЙ ОБРАБОТКИ.

  Вид абразивов. В качестве абразивного материала при доводке применяются: электрокорунд нормальный и белый, монокорунд, карбид кремния, карбид бора , кубический нитрид бора, синтетические алмазы, крокус, окись хрома и др. притиры, покрытые порошками алмаза или кубического нитрида бора, наиболее долговечны, и процесс обработки протекает более интенсивно; у монокорунда, электрокорунда белого и нормального различие по начальному съему невелико. Геометрическая форма абразивных зерен. С увеличением размеров зерен радиусы их закругления увеличиваются. Так, для электрокорунда белого с увеличением зернистости от М1 до М7 среднее значение радиуса закругления возрастает от 0,11 до 0,3 мкм. Радиусы закругления при вершине зерен одинакового размера для различных абразивных материалов различны. Наименьшие радиусы имеют зерна синтетического алмаза и монокорунда, наибольшие - зерна глинозема. Средние значение углов заострения при вершине зерен монокорунда колеблются в пределах от 84 до 101°, а зерен электрокорунда белого - от 92 до 98°. Изменение свойств абразивного зерна. В процессе доводки абразивного зерна беспрерывно измельчаются, сохраняя форму , присущую форме зерна данного абразива. Измельчение зерен абразива является основной причиной снижения съема металла при увеличении продолжительности использования абразива. Сохранение своей формы при измельчении делает целесообразным повторное использование его после извлечения из отходов.

  Дробление абразивного зерна есть процесс полезный, поддерживающий зерно все время в состоянии, пригодном для работы. Измельчение абразивных зерен происходит главным образом в момент заклинивания их между поверхностью притира и обрабатываемой поверхностью, когда они упираются двумя своими наиболее удаленными друг от друга точками в обе поверхности. Расстояние между этими поверхностями больше наименьшего и меньше наибольшего размера зерна основной фракции и постепенно уменьшается по мере измельчения зерен абразива. По мере увеличения количества зерен в рабочем пространстве уменьшается давление на каждое зерно. А так как с уменьшением размера абразивного зерна увеличивается его относительная прочность, то в результате снижения интенсивность дробления абразивных зерен, но также уменьшается и интенсивность съема припуска. Интенсивность съема припуска в меньшей сттепени объясняется постепенным сглаживанием поверхности и притуплением вершин абразивных зерен и переходом от резания к изнашиванию. Чем больше твердость абразива относительно твердости обрабатываемого материала, тем больше время потребное для его округления. Исходный микрорельеф обрабатываемой поверхности непрерывно изменяется во время доводки. В результате пластических деформаций поверхностный слой в процессе резания выравнивается, что изменяет характер шероховатости. Зернистость абразивного материала. Размеры абразивных зерен имеют важное влияние на интенсивность процесса доводки. С увеличением размера абразивных зерен съем металла возрастает в степени 0,6; это увеличение наблюдается в пределах зернистости от М5 до №6. Увеличение производительности объясняется тем, что с увеличением размера зерна возрастает разрушающая его нагрузка и, следовательно, увеличивается возможность работать с повышенным давлением. Однако разрушающая нагрузка возрастает медленнее, чем измерение размеров абразивного зерна. Большие по размеру абразивные зерна имеют меньшую относительную прочность, чем мелкие, и потому процесс дробления абразивных зерен у больших по величине зерен происходит быстрее. Съем припуска зависит также от степени соответствия между размерами зерна и включений феррита и графита на поверхности чугунных притиров, так как от этого зависит прочность удержания абразивных зерен при шаржировании. Имеет также значение однородность зернового состава абразива. С увеличением размеров абразивного зерна высота микронеровностей на обрабатываемой поверхности возрастает в степени 0,5. Насыщение поверхности притира абразивом. Исследование показали, что по мере увеличения количества участвующих одновременно в работе абразивных зерен, съем припуска сначала возрастает, а по достижению известного предела увеличение количества абразивных зерен не вызывает заметного увеличения количества съема металла. Существует оптимальное насыщение абразивными зернами поверхности притира. При увеличении количества зерен давление на каждое зерно снижается; пока абразивных зерен на поверхности притира мало и давление на каждое зерно превосходит разрушающую нагрузку, увеличение количества абразивных зерен увеличивает и съем припуска. Если количество абразивных зерен возрастает настолько, что давление на каждое зерно будет ниже разрушающей его нагрузки, то за счет снижения съема металла каждым отдельным зерном может произойти общие снижение съема припуска. Чем выше предел прочности абразивных зерен и их твердость тем ниже уровень оптимального насыщения поверхности притира. На практике насыщенность и равномерность распределения абразива при предварительном его шаржировании в поверхность притира проверяют по внешнему виду. Блестщие пятна указывают, что притир недостаточно насыщен абразивом, либо пооследний неравномерно распределен на его поверхности. В этом случае шаржирование продолжают до тех пор, пока поверхность не станет равномерно серой. Излишний абразив смывают керосином. Лишние абразивные зерна могут создать на обрабатываемой поверхности царапины. Способ подачи абразива.

   Существуют несколько способом подачи абразива в зону обработки: Ооднократная подача абразива перед началом доводки, при этом умеет место затухающий процесс съема припуска с убывающей производительностью. Это объясняется измельчением зерен до такой степени, что они сстановятся близкими по своей величине к толще пленки, покрывающей поверхность притира и состоящей из рабочей жидкости или пасты , частичек обрабатываемого материаоа и материала притира; Периодическая подача абразива, при этом имеет место периодически изменяющийся съем металла; Постоянная подача абразива, при этом имеет место постоянный съем металла. Физико-механические свойства обрабатываемой поверхности. С повышением твердости обрабатываемого материала интенсивность процесса доводки снижается. Наиболее низкий съем наблюдается при обработке твердых сплавов. Поэтому для обработки конструкционной керамики применяются алмазные порошки и порошки из кубического нитрида бора.

Вверх   МАТЕРИАЛ ПРИТИРА

    Притиры в зависимости от способа обработки изготовляют из чугуна, стали, меди, стекла. Притиры из чугуна лучше сохраняют форму нежели притиры из стали и меди. Наибольшее распространение имеют притиры из мелкозернистого чугуна твердостью НВ 180-220, которые обеспечивают болем высокое качество обработки. Состав и свойства паст. Доводка с применением рабочей жид кости в 1,2-6 рааз производительнее, чем в сухую. Жидкость, связывающая зерна абразива, выбирается в зависимости от величины снимаемого припуска , твердости обрабатывыаемого материала и тренований, предъявляемых к чистоте обрабатываемой поверхности. При притирке свободным абразивом , внедряющимся в притир в процессе обработки, связывающей и смазочной жидкостью является керосин, масло веретенное и вазелиновое в отдельности или в смеси. Добавки канифоли улучшают смачиваемость. При черезмерной густоте смеси затрудняется перемещение абразива на притире. С пониженим в'язкості смеси при применении чугунных притиров снижается потребная мощность и уменьшается нагрев, повышается нагрев, повышается удельный съем металла. Соотношение в смеси межу абразивным и жидкостиью принимается в пределах от1/6до 1/2 Cоставление плана операций по переходам ; назначение и расчет режимов и условий предварительной и окончательной доводки ; выбор типа оборудования ; расчет параметров наладки исполнительного механизма станка, исходя из требований по параметрам качества, производительности (съем материала детали в единицу времени) и себестоимости обработки. Доводка заготовок прецизионных деталей осуществляется за две-пять операций (или за два-пять переходов) с последовательным уменьшением зернистости применяемого абразива в составе суспензий и паст, используемых на операциях (переходах) предварительной , чистовой (окончательной ) и тонкой доводки с целью получения требуемых параметров качества обработки. Для повышения параметров качества доведенных поверхностей применяют предварительную селекцию деталей : интервал рассеяния доводимого (исходного) размера в партии одновременно обрабатываемых деталей должно быть не более 1/3 величины припуска под доводку. Припуск на обработку на сторону назначается в зависимости от требуемых параметров качества обработки:

- предварительная доводка : припуск 0,02-0,05 мм; достигается точность обработки (отклонение от требуемой формы поверхности) 3-5 мкм; параметр шероховатости поверхности Ra=0.63…0.16 мкм;
- получистовая доводка : припуск 0,005 - 0,015 мм, точность обработки 1-2 мкм; параметр шероховатости поверхности Ra=0,16…0,08 мкм;
- чистовая (окончательная) доводка: припуск 0,002-0,005 мм, точность обработки 0,5-1 мкм ; параметр шероховатости поверхности Ra=0.08…0.02мкм.
- тонкая доводка: припуск 0,0002-0,001 мм, точность обработки 0,1-0,5 мкм ; параметр шероховатости поверхности Ra=0.02…0.005 мкм.
- Доводка абразивными пастами на притирах осуществляется посредством периодического нанесения пасты на поверхность притира (путем ее намазки) либо посредством предварительного шаржирования притира абразивными зернами с помощью специальных устройств с плоскими, роликовыми кольцевыми правильно- шаржирующими инструментами.
- Наивысшие параметры качества доведенной поверхности достигаются при тонкой доводки притирами, шаржированными зернами пасты, осуществляющими процесс микрорезания обрабатываемой поверхности. Так, доводка плоскопараллельных мер позволяет получить отклонение от плоскости 0,05-0,10 мкм и параметр шероховатости поверхности Ra=0.05…0.025. При обработке керамики , кварца , полупроводниковых материалов, сапфира применяют водные суспензии. Для предотвращения оседания абразива в суспензию добавляют тонкодисперсный оксид кремния в количестве 5-10% по массе.
- Материал притира и его свойства выбирают в зависимости от физико-механических характеристик обрабатываемого материала, требуемых производительности и параметров качества обработки. Для доводки деталей из труднообрабатываемых материалов наиболее распространенными материалами притира является чугун с ферритной, перлитной и перлитоферритной структурой. Обычно чугунные притиры изготовляют из серого чугуна СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25 с твердостью НВ 120-200.
- Для предварительной доводки наилучшие результаты по износостойкости имеют перлитные чугуны с крупнопластинчатым перлитом, хорошо удерживающим абразивные зерна.


Вверх   ОСОБЕННОСТИ ДОВОДКИ.

   Факторы определяющие выходные параметры процесса доводки (производительность и показатели качества) можно разделить на четыре группы.
1. Технологические качественные факторы: вид абразива и рабочей жидкости абразивной суспензии, материал притира и заготовки, состояние их поверхностных слоев; технологические количественные факторы: зернистость абразива , рабочее давление притира на заготовку, твердость материала притира и заготовки, соотношение жидкой и твердых составляющих абразивной суспензии.
2. Кинематические - соотношение угловых скоростей и линейных размеров звеньев исполнительного механизма доводочного станка, определяющие значения и законы измерения скорости V и ускорения at относительного движения заготовки по притиру.
3. Динамические - средние значение и закон изменения силы взаимодействия заготовки через абразивную проволоку с притиром . действующей в плоскости , касательной к поверхности контакта заготовки с притиром.
4. Геометрические - точность формы рабочей поверхности притира и заготовок, разноразмерность заготовок в партии перед доводкой, форма и размеры канавок для подвода абразивной суспензии, форма вырезов каблуков для н рабочей поверхности притира, относительное расположение осей притира, сепараторов и заготовок в последних, а также соотношение линейных размеров обрабатываемых поверхностей заготовок и притира.

   Перечисленные факторы могут быть независимыми или зависимыми переменными от времени процесса доводки. Многообразием этих факторов и влиянием каждого от их сочетания объясняются методологические трудности как в исследованиях физической сущности процесса . так и в установлении основных закономерностей, определяющих его показатели. Физико-механической основой процесса абразивной доводки является процесс абразивного разрушения твердых тел. Под абразивным разрушением и абразивным изнашиванием понимают процесс разрушения поверхностных слоев твердых тел под действием абразивных зерен. Природу разрушения материалов и инструментов при доводке и полировании определяют в основном элементарные механические процессы при значительном влиянии химических и физико-химические процессов, происходящих под действием поверхностно-активных веществ. При исследовании процессов доводки заготовок незакрепленным и закрепленным абразивом основными проблемами абразивного разрушения твердых тел являются: Определение наиболее вероятностной схемы силового взаимодействия незакрепленных и закрепленных абразивных зерен с материалом заготовки; Исследование состояния материала заготовки и притира в зоне взаимодействия зерна с изнашиваемым телом; Определение характера разрушения взаимодействующих твердых тел системы заготовка - абразивная прослойка - притир при различных условиях и режимах доводки. Для решения указанных проблем необходимо изучить особенности процесса абразивной доводки заготовок. На основе обобщения накопленных результатов исследований , производственного опыта можно выделить пять особенностей процесса доводки . Первая особенность: обработку осуществляют композиционным инструментом, состоящим из следующих элементов: притира, абразивных зерен, рабочей жидкости - суспензии (неабразивная часть пасты). Обеспечение стабильных показателей обработки основано на стабилизации условий взаимодействия указанных элементов в системе заготовка - абразивная прослойка - притир. Когда абразивные зерна находятся в незакрепленном состоянии, рабочая поверхность притира является базовой поверхностью (основанием) для перемещающихся зерен в зазоре между заготовкой и притиром. Ориентация заготовки на рабочей поверхности притира происходит через абразивный слой суспензии или пасты. Если пасты закрепляются на в материале притира при их шаржировании, то материал притира является связкой, удерживающей зерна в состоянии закрепления. В этом случае заготовки на притире ориентируются шаржированными зернами рабочей поверхности притира. Рабочая жидкость и активные добавки в составе суспензии или пасты усиливают действие адсорбирующих процессов, ускоряют механические процессы, приводящие к разрушению твердых тел.


  Для обычного крана герметизация обеспечивается за счет плотного прилегания полимерных колец к сфере. В керамическом кране обе сопрягаемые детали изготовлены из керамики, что требует принципиально новых подходов обеспечения герметичности сферических поверхностей. Абразивная доводочно-притирочная обработка стала одним из ведущих методов сверхтонкой механической обработки, без применения которого невозможен выпуск прецизионных деталей топливной аппаратуры, уплотнений, арматуры насосов высокого давления, точных мерительных средств и многих видов приборов. Доводочно-притирочная обработка является процессом, обеспечивающим самые высокие точность и класс чистоты обработанных деталей. Он выполняется с применением абразивных смесей и жестких поверхности или ее образующей. Процесс доводочно-притирочной обработки происходит при сложном перемещениях детали по отношению к притиру или на оборот, в результате чего абразивные смеси, находящиеся в зоне резания, воздействуя на материал снимают тончайшую стружку. Физические и химические явления при этом по своей природе отличаются от обычной обработки металлов резанием. Доводочно-притирочная обработка требует большого внимания к подбору абразивно-доводочных материалов, жидкостей, определению их качества и количества на определенных операциях, выбору режимов обработки, станков приспособлений притиров, к креплению деталей и притиров, а также технологической последовательности выполнения работ. Не соблюдение одного из этих факторов может снизить качество и производительность обработки. Процесс притирки деталей из конструкционной керамики отличаются от притирки металлических в силу большей пористости и высокой твердости (HRA 78-80) керамики. Одна из особенностей состоит в том, что в качестве смазки используют воду с добавлением 1% хлорного железа (FeCl3) и сверхтвердые абразивы (в данном случае используется искусственный алмаз). Также в процессе притирки необходимо следить за состоянием притира, так как вода быстро испаряется и притир начинает работать в сухую, что может привести к появлению на детали и притире. Предлагаемое приспособление для притирки пары "шар-седло" реализует способ комбинированной доводки путем параллельного сочетания признаков ориентированного и свободного притира


Вверх   Перечень ссылок

1.Масловский В.В. Доводочные и притирочные работы. Учебное пособие. Изд.2-е, переработ. и доп. М., "Высшая школа", 1971.
2. Лурье Г.Б. Масловский В.В. Основы технологии абразивной доводочно - притирочной обработки. М., "Высшая школа", 1973.
3. Орлов П.Н. Технологическое обеспечение качества деталей методами доводки. М., Машиностроение, 1988
4. Балкевич В.Л. Техническая керамика. Стройиздат., М. 1986.
5. Полубояринов Д.Н. Балкевич В.Л. Попильский Р.Я. Высокоглиноземистые керамические и огнеупорные материалы. Госстройиздат. 1964.