Cовершенствование способов измерения и контроля качественных показателей обработанной поверхности при шлифовании

(Донецкий национальный технический университет, магистрант Сирченко О.В., рук. д. т. н., проф. Калафатова Л.П.)

http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2002/mech/sirchenko/diss/diss.htm

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
Хрупкие неметаллические материалы стали в последнее время незаменимы в силу своих уникальных прочностных и эксплуатационных характеристик, среди которых следует отметить высокую твердость, высокую сопротивляемость сжатию при низкой удельной плотности, термостойкость, устойчивость к силовой напряженности и внешнему гидростатическому давлению. Эти свойства делают хрупкие неметаллические конструкционные материалы наиболее пригодными для применения в условиях агрессивных сред океана и космоса, в самолето- и ракетостроении.
Специфика эксплуатации таких изделий предопределяет повышенные требования к прочностным характеристикам и точности изготовления, которые для материалов рассматриваемого класса в значительной степени определяются шероховатостью обработанной поверхности и сведением к минимуму дефектов поверхностного слоя.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.
На основе исследований процессов формирования дефектности поверхностного слоя конструкционных неметаллических материалов при абразивно-алмазной обработке разработан технологический процесс механической обработки керамических торцовых кранов, предназнвченных для перекрытия и регулирования потоков жидких и газообразных сред в газовой, химической, спиртовой, пищевой и медицинской промышленности. В кране отсутствует сальниковый узел, в качестве затвора применяется высокоточная керамика.К преимуществам кранов относятся: · высокая герметичность и надежность; · успешная работа с абразивными, агрессивными и токсичными средами; · наименьшие из известных массогабаритных размеров; · отсутствие сальникового узла; · легкость монтажа на трубороводе и простота в эксплуатации; · возможность автоматизированного регулирования потоков технологических сред.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
1.Исследование механизма формирования поверхностного дефектного слоя хрупких неметаллических материалов при шлифовании

Формирование в обработанном неметаллическом материале так называемого поверхностного слоя в общем случае является следствием нарушения сплошности материала при резании, развития и пересечения микротрещин. Исходя из основных положений теории разрушения [1], глубина распространения этих трещин будет зависеть от степени напряженного деформируемого состояния в обрабатываемом теле, определяемой энергетическими условиями процесса обработки.
Разрушение тела является сложным процессом, развитие которого зависит от температуры, скорости нагружения, характера напряженного состояния, структуры тела, свойств окружающей среды и т.д. К решению проблемы прочности в настоящее время наметились два основных подхода: механический и кинетический.

Механическая концепция основана на теории Гриффитса, согласно которой разрушение является результатом потери устойчивости твердым телом, находящимся в поле внешних и внутренних напряжений . Тело рассматривается как сплошная среда, содержащая многочисленные мельчайшие дефекты в виде микротрещин, которые действуют как концентраторы напряжений. Причем на краях микротрещин под действием приложенного растягивающего напряжения s возникают перенапряжения sк , которые могут во много раз превосходить средние напряжения. Когда величина перенапряжений у вершины наиболее опасной микротрещины достигает уровня теоретической прочности, то происходит катастрофическое ( со скоростью, близкой к скорости звука) распространение трещины и образец разрушается на части.

Если распространение трещины сопровождается пластической деформацией материала перед ее вершиной, то величина заменяется величиной эффективной поверхностной энергии разрушения , учитывающей работу пластической деформации . Аналогичными зависимостями могут быть учтены влияния на величину теплового движения и поверхностно-активной среды.

Кинетическая концепция. Основоположником концепции является С. Н. Журков. В соответствии с этой концепцией разрушение рассматривается как результат процесса, развивающегося в материале во времени, то есть как конечный этап постепенного развития и накопления субмикроскопических разрушений или как процесс развития микротрещин на молекулярном уровне. Этот процесс происходит в напряженном теле под действием так называемых тепловых флуктуаций и механических нагружений. В процессе теплового движения распределение энергии по отдельным частицам, составляющим тело, все время меняется. Поэтому кинетическая энергия отдельной частицы W с течением времени изменяется, достигая в некоторые отрезки времени достаточно больших значений , чтобы разорвать химическую связь между атомами.

Длительность временного процесса, происходящего в теле от момента нагружения до его разрушения определяется величиной активационного барьера и температурой Т °. Чем выше напряжение, тем больше снижается барьер и меньшее время требуется на разрушение.
Обобщив положения кинетической теории, можно заключить, что процесс разрушения состоит из следующих стадий:
а) возбуждение межатомных связей;
б) разрыв этих связей под действием тепловых колебаний;
в) образование субмикроскопических трещин;
г) возникновение ведущей трещины под действием механической силы и разрыв образца.
При шлифовании разрушение материала припуска осуществляется при взаимодействии значительного количества абразивных зерен, которые могут быть представлены в виде микрорезцов, с обрабатываемой поверхностью.
При этом, под воздействием участка передней поверхности зерна, расположенного непосредственно у режущей кромки, образуется система трещин, распределяющаяся в направлении движения резания. На этом этапе происходит непрерывное увеличение силы резания, обеспечивающее развитие ведущей трещины. Скорость ее роста зависит от того, насколько величина напряжений растяжения больше величины безопасного напряжения (при котором вероятности разрыва и восстановления связей равны). Развитие трещины продолжается до тех пор, пока эти напряжения не превысят предела прочности материала, что вызывает быстрое падение силы резания вследствие отделения элемента стружки по поверхности. На этом заканчивается первый основной этап хрупкого разрушения.

На втором этапе происходит зачистка поверхности резания, которая характеризуется отделением мелких элементов по той же схеме. На ряде участков поверхности резания этот этап отсутствует вследствие развития основной трещины ниже поверхности резания.
Таким образом, процесс разрушения хрупких материалов определяется явлениями хрупкого отрыва, обусловленными периодическим процессом развития опережающей трещины.
Для изучения процессов абразивной обработки хрупких неметаллических материалов большинство исследователей моделировали отдельные фазы этих процессов (статическое воздействие, скольжение или перекатывание по поверхности) с помощью специально подготовленных инденторов в виде сфер, конусов, пирамид, призм с заданными геометрическими параметрами. При моделировании изучались условия образования на поверхности обрабатываемого материала следа от движения индентора при вариации нагрузки на индентор и скорости его перемещения, фиксировались усилия, действующие на материал и индентор при их взаимодействии, напряжения в материале. В результате было установлено, что в зависимости от геометрии зерна индентора и уровня нагрузки на него при контакте в материале возникают деформации различного вида - от упругой до хрупкого разрушения. А именно: упругая деформация; пластическая деформация в сочетании с резанием; резание и хрупкое разрушение; хрупкое разрушение. Причем пластическое перемещение в начальный момент характеризуется отсутствием трещин у отпечатка и сопровождается выступанием материала над поверхностью. Затем возникают выдавленные царапины, образующиеся в результате пластической деформации материала без разрушений, или гладкие вырезанные царапины, сопровождающиеся отделением тончайшей стружки, причиной появления которых является пластическая деформация с разрушением. Доказано также наличие упрочнения тонкого поверхностного слоя, вызванного явлением наклепа, возникающего при чистовом шлифовании и полировании и свидетельствующее об упруго-пластической деформации материала. При более высоких нагрузках, характерных для получистовых и черновых операций шлифования, образуются царапины третьего вида - сплошные, появляющиеся в результате хрупкого разрушения без пластических деформаций, со скалыванием частиц материала.
Таким образом, процесс абразивной обработки материалов представляет собой хрупкое разрушение с образованием царапин, системы трещин и выкалыванием материала при интенсивных режимах (черновое и получистовое шлифование) и упругопластическое разрушение с образованием выдавленных царапин при малых нагрузках на зерна абразива при чрезвычайно малой глубине их внедрения в материал. В обоих случаях микрорельеф обработанной поверхности является результатом многократных пересечений царапин, сопровождающихся при этом диспергированием материала.

Моделирование элементарных актов процесса диспергирования хрупких неметаллических материалов при воздействии на них абразивных частиц позволило выяснить, что возникающие под действием абразивных зерен трещины, неоднократно пересекаясь, обусловливают удаление мелких частиц материала и распространяются на некоторое расстояние вглубь.
В результате поверхность снаружи приобретает рельеф, состоящий из выступов и впадин, а под ним в массе материала остаются трещины. Поэтому шлифованная поверхность хрупкого материала состоит из видимого рельефного слоя (hp) и невидимого поверхностного слоя трещин - дефектного или трещиноватого слоя (hd). Совокупность этих двух слоев принято называть разрушенным или поврежденным слоем шлифованной поверхности (Hp). На рис. 2 представлена схема расположения основных компонентов процесса абразивного диспергирования и сформированных в результате элементов поверхностного слоя образца.

ВЫВОДЫ.
Основной вывод, сделанный о состоянии сформированного при абразивной обработке поверхностного слоя, состоит в том, что он дефектен. Его структура резко отличается от структуры исходного материала и, в отличие от пластичных материалов, представляет собой совокупность шероховатостей, образованных в результате выкола отдельных участков и системы трещин, так как преобладающим механизмом стружкообразования является хрупкое разрушение. Наличие дефектного слоя характерно для всех видов абразивной обработки хрупких материалов. При этом глубина дефектного слоя возрастает по мере интенсификации процессов диспергирования, уменьшаясь от черновых к чистовым операциям, что связано с уровнем силового воздействия на обрабатываемый материал при резании. Сформированный дефектный слой кардинальным образом влияет на эксплуатационные свойства изделий из хрупких материалов и, прежде всего, на прочность, особенно при воздействии растягивающих напряжений.
Таким образом, изучение формирования поверхностного слоя дает информацию для проектирования эффективных и рациональных технологических процессов обработки хрупких неметаллических материалов с точки зрения формирования минимальной дефектности и максимального качества обработанной поверхности за счет правильного выбора входных параметров технологического процесса.