Сергеечева Елена Сергеевна
Факультет:
Механический
Специальность:
Металлорежущие станки и инструменты
АВТОРЕФЕРАТ
Тема магистерской работы:
Обоснование технологического способа доводочных операций при обработке плоских деталей их ХНМ.
Руководитель:
Калафатова Л.П.
Содержание
1. ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
АКТУАЛЬНОСТЬ
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
СОБСТВЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ
3. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
1. ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
АКТУАЛЬНОСТЬ.
Машиностроение является ведущей отраслью промышленности и в значительной мере определяет масштабы и темпы
научно-технического прогресса. К числу важнейших задач относится снижение трудоемкости и себестоимости изготовления
машин за счет механизации и автоматизации производства, а также повышение качества выпускаемых машин.
В современных условиях, когда к выпускаемым машинам, механизмам и приборам предъявляются высокие эксплуатационные
требования, резко возрастает роль технологии обработки деталей. Известно, что эксплуатационные свойства деталей зависят
не только от физико-механических характеристик материала, из которого они изготовлены, но и от состояния поверхностного слоя.
При этом установлено, что изготовление деталей из одного и того же материала, но по различной технологии и с различными
режимами обработки приводит к резкому колебанию свойств поверхностного слоя. Долговечность таких деталей может отличаться
в десятки раз.
Качество поверхностей деталей формируется в процессе выполнения комплекса технологических операций с учетом проявления
технологической наследственности. Однако особенно важными являются финишные операции, в процессе которых окончательно формируются
качественные характеристики поверхностного слоя.
Обеспечение высокого качества поверхности в точных керамических деталях – сложная техническая задача. Наряду с низкой
шероховатостью, ограниченной долями микрометров, специфическим требованием является отсутствие дефектов поверхности в виде
сколов, микротрещин, микровыколов. В связи с этим возростает роль финишной операции – алмазной доводки. Возможности интенсификации
малопроизводительного процесса доводки связаны с использованием металлических притиров, которые работают на повышенных скоростях
при использовании алмазных паст и суспензий, для чего необходимо проектирование соответствующего оборудования.
При этом важно проектировать такие узлы, которые будучи установленными на станках, что выпускаются серийно, и предназначены
для выполнения других операций, позволили бы на них при минимальных затратах реализовывать финишные операции. Примером решения
сформулированной задачи может быть модернизация настольно-сверлильного станка для проведения научных исследований относительно
изучения и усовершенствования процессов доводки керамики разных типов в том числе деталей из антифрикционной керамики типа торцовых уплотнений.
Содержание
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ – модернизация настольно-сверлильного станка для проведения научных исследований относительно изучения и обоснование усовершенствования
процессов доводки керамики различных типов в том числе деталей из антифрикционной керамики типа торцовых уплотнений, по сравнению с другими финишними операциями.
ОСНОВНЫМИ ЗАДАЧАМИ РАБОТЫ, являются:
- исследование финишной обработки – доводки керамики;
- проектирование и модернизация конструкции настольно-сверлильного станка, за счет новых конструктивных признаков;
- обеспечение универсальности приспособлений и максимальной производительности;
- проведение расчета и исследование приспособлений для доводки керамики.
Содержание
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.
Доводкой называют технологическую операцию [9,10], в которой обработка детали происходит за счет влияния зерен абразивного материала,
что находятся между поверхностями притира (или доводочного круга) и детали.
При доводке керамики алмазной пастой удаляются следы предшествующего шлифования в виде рисок и микровыколок, но полностью
удалить последние не представляется возможным, так как паста сама способна образовать на поверхности заготовки микродефекты.
Как правило, на операцию доводки заготовки поступают с предыдущей операции алмазного шлифования вместе со столом или подложкой
без переклейки. Поэтому при выборе рецептуры наклеечной мастики необходимо учесть также следующие требования доводочной операции:
отсутствие крупных абразивных частиц в мастике; малая степень шаржирования абразива в мастику при доводке; высокая прочность крепления
заготовки при рабочей температуре доводки; слабое «засаливание» рабочих поверхностей при доводке.
В качестве материалов притиров используются следующие материалы: чугун, медь, алюминий, латунь, олово, стекло, оптические «смолы» и т.д. Материал
притира должен быть мягче материала обрабатываемой детали, быть износостойким и хорошо шаржироваться абразивными зернами. В качестве
связки доводочных кругов могут выступать жесткие (эпоксидные, бакелитовые и др.) и эластичные полимеры.
Наиболее производительными и долговечными являются металлические притиры, работающие с периодической правкой на токарных станках.
Периодичность правки таких притиров определяется не потерей плоскостности, так как последняя задается самой кинематикой станка, а
необходимостью нанесения специальных канавок на притире при его износе. Опытным путем установлено, что при доводке керамики для зернистости
алмазной пасты от 60/40 до 28/20 наиболее пригодны чугунные притиры, для зернистости от 28/20 до 5/3 наиболее пригодны медные притиры,
для зернистости от 5/3 до 3/2 – оловянные, а для зернистости 1/0 – гетинаксовые, лигнофолевые, тканевые.
В качестве полировальных абразивов находят применение такие материалы, как кварц, корунд, карбид кремния и нитрид бора, окислы
тория, церия, хрома. Для операций доводки керамики в зависимости от требований, предъявляемых к обрабатываемой поверхности, применяются главным
образом синтетические алмазные микропорошки в виде паст разной зернистости. Алмазные микропорошки подаются в зону доводки в виде суспензии или пасты.
При обработке керамики из-за ее высокой твердости более рационально использовать пасты с высокой концентрацией алмаза и на водорастворимой основе.
В это время отсутствуют механизированные способы подачи суспензии или пасты при доводке керамики. Ручная подача осуществляется с помощью кисточки,
тампона или намазыванием на обрабатываемую поверхность. Подача СОЖ при доводке (при обработке керамики это преимущественно вода, которой присущи низкая
вязкость, высокая смазочная и охладающей особенности) происходит с помощью капельницы со скоростью 100–200 капель/мин. Объем подачи СОЖ играет
значительную роль в процессе доводки, что отмечается как на производительности, так и на качестве обрабатываемой поверхности.
Рассмотрим особенности технологии доводки керамики на распространенных доводочных станках СПШ-1 или СПШП-1. Подготовка станка к работе
решает задачу выверки параллельности осей притира и планшайбы и устранения биения притира и планшайбы отностительно собственных осей.
Перед доводкой необходимо убедится в том, что качество наклейки деталей не нарушено после шлифования, геометрическая точность станка обеспечена,
инструмент для доводки качественно подготовлен. Подготовка притиров состоит в их изготовлении и правки на токарном станке или правке непосредственно
на станках СПШ-1, СПШП-1 резцом, закрепленным на столе станка
Были изучены [1] зависимости производительности доводки и качества поверхности керамики от геометрических факторов на
рабочей поверхности притиров и материала притира. Наилучшие результаты показали медные притиры, имеющие спиральную канавку с шириной выступающей дорожки
30 мм (рис. 1). В этом случае улучшается подвод СОЖ к пасте и отвод шлама, что дает наивысшую производительность и стойкость притира.
Рисунок 1 – Медный притир к станку модели СПШ-1
Доминирующее влияние на производительность доводки Q оказывает зернистость алмазного порошка dз и скорость
притира Vk, что следует из статистической зависимости [1]
На рис. 2 показана зависимость съема керамики от давления при использовании паст различной зернистости. С увеличением давления
растет сила взаимодействия обрабатываемых деталей и притира, растет путь, проделанный единичным алмазным зерном в процессе доводки и
увеличивается съем керамики.
На основании производственных данных можно ориентировочно рекомендовать скорости рабочего движения на операции доводки керамики:
средняя скорость притира 10–15 м/с, средняя скорость стола 3,7–7,3 м/с. Производительность процесса доводки в большей мере зависит от окружной скорости
притира и зернистости и в меньшей – от скорости стола. Давление на поверхности контакта детали и абразивных зерен при предыдущей обработке устанавливается
0,1–0,15 МПа, при окончательной и прецизионной обработке – не больше 0,05–0,1 МПа.
Рисунок 2 – Зависимость съема высокоглиноземистой керамики от давления при доводке алмазными пастами:
различной зернистости: 1 – АСМ 2/1; 2 – АСМ 5/3; 3 – АСМ 10/5; 4 – АСМ 28/20 [1]
Поэтому важной проблемой обеспечения необходимого качества обработки керамики на доводочных станках является разработка
надежных конструкций загрузочных устройств и механизмов станков, которые создают необходимое рабочее давление в зоне контакта заготовка –
абразивный слой – притир, способов правки и шаржирования притиров, устройств контроля размера обрабатываемой поверхности в процессе
доводки.
Содержание
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
По технологическому назначению доводочные станки в зависимости от формы и вида обрабатываемой поверхности разделяют на следующие типы [2]:
плоскодоводочные – для доводки плоских и наружных цилиндрических поверхностей; внутридоводочные – для доводки цилиндрических и конических поверхностей;
сферодоводочные – для доводки внутренних и наружных сферических поверхностей; специальные – для доводки внутренних и наружных фасонных поверхностей.
Доводочные станки для обработки плоских, цилиндрических, конических, сферических и фасонных поверхностей по виду кинематической связи рабочих звеньев
исполнительного механизма разделяют на два типа: станки с жесткой кинематической связью и станки с фрикционной связью между заготовками и инструментом
(притиром). Эти станки имеют подвижные и неподвижные притиры с различными исполнительными механизмами, задающими закон относительного движения заготовки
по притиру или притира по заготовке путем сочетания вращательных, качательных и поступательных движений притира (притиров), а также сепараторов, кассет,
блоков (планов) с закрепленными или свободно установленными в них заготовками.
Исполнительные механизмы станков имеют различное конструктивное исполнение. Жесткая кинематическая связь между звеньями исполнительных механизмов
доводочных станков, как правило, создается планетарными, эксцентриковыми, планетарно-эксцентриковыми, кулисно-эксцентриковыми механизмами с передачей
вращательного, поступательного, плоскопараллельного или сложного движения заготовке (сепаратору с заготовками) или притиру либо одновременно и заготовке
и притиру. Она осуществляется механизмами, составленными из зубчатых колес, плоских стержневых механизмов (кривошипно-ползунных, кривошипно-кулисных,
кулачково-кулисные, кулисно-эксцентриковые, синусные и др.) или пространственных стержневых механизмов (с разным количеством звеньеве, кулисные,
кривошипных и др.), создающих требуемый закон относительного движения заготовки и притира в плоскости или в пространстве,
Фрикционная кинематическая связь создается либо фрикционными механизмами, основанными на непосредственном касании рабочих тел качения (заготовок,
притиров, звеньев кинематической фрикционной цепи и т. д.), а также через промежуточные жесткие звенья (кольца, шарики, ролики и т. д.) или гибкие
передачи (ремни, гибкие валы и др.), либо фрикционными механизмами в сочетании с механизмами с жесткой кинематической связью между звеньями.
В зависимости от способа взаимной установки (базирования) заготовки на рабочей поверхности притира или притира по обрабатываемой поверхности заготовки
(заготовок) разделяют два способа доводки [1,3]: способ «свободного притира» при самоустановке
поверхностей заготовки и притира в процессе обработки; способ «жесткой» независимой ориентации базовых поверхностей или осей заготовки и притира.
По числу рабочих позиций, в которых одновременно или последовательно обрабатываются заготовки, доводочные станки подразделяют на одношпиндельные и
многошпиндельные, однопозиционные и многопозиционные. В зависимости от широты номенклатуры обрабатываемых заготовок и уровня механизации и автоматизации
процесса доводки в машино – и приборостроении применяют универсальные станки, специализированные станки и полуавтоматы, а также специальные станки и
автоматы.
Тип производства, определяющий коэффициент закрепления доводочной операции, устанавливает требования по уровню специализации станка, полуавтомата
или автомата, а, следовательно, и степени автоматизации процесса, позволяющей одновременно обеспечить требуемые параметры качества, производительность
обработки и себестоимость изготовления детали.
Содержание
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.
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 [5,8] с точностью в несколько десятых долей микрометра
осуществляют на полировально-доводочных станках типа ПД или ШП, имеющих поводковый исполнительный механизм (рис.3)
Рисунок 3 – Схема обработки плоской поверхности по методу свободной притирки
При этом нижнее звено 1 – алмазная планшайба – вращается, а верхнее 2 – деталь – совершает вместе с поводком 3 станка возвратно-поступательное
движение подачи относительно нижнего звена. Шаровой шарнир 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.
Из анализа уравнения динамики движения ведомого звена при полировании или доводке по методу свободной притирки на
полировально-доводочных станках типа ПД или ШП следует [5], что ни настройкой станка, ни выбором режима обработки обеспечить
стабилизацию скорости относительного движения инструмента и заготовки в зоне их контакта не удается. Эта скорость может
быть стабилизирована в каждый момент времени и в любой точке указанной зоны лишь при условии введения дополнительной
кинематической цепи от шпинделя заготовки к инструменту, которая благодаря своим упругим свойствам не препятствовала бы
подаче инструмента вдоль поверхности заготовки.
Такая схема показана на рис. 4. Здесь вращение заготовки с угловой скоростью 
передается посредством упругой
кинематической связи инструменту с передаточным отношением, равным 1, и в том же направлении, но вокруг собственной
оси инструмента, т.е. оси шарнира поводка.
Рисунок 4 – Схема устройства для стабилизации скорости относительного движения инструмента и заготовки
(анимация: 9 кадров, бесконечное число повторений, размер 26,8 KB, сделано в MP Gif Animator)
Содержание
СОБСТВЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ.
Важно спроектировать такие узлы, которые будучи установленными на станках, что выпускаются серийно, и предназначены для выполнения других
операций, позволили бы на них при минимальных затратах реализовывать финишные операции. Примером решения сформулированной задачи будет модернизация
настольно-сверлильного станка для проведения научных исследований относительно изучения и усовершенствования процессов доводки керамики разных типов в том
числе деталей из антифрикционной керамики типа торцовых уплотнений.
В результате конструкторских работ был спроектирован станок для доводки малогабаритных изделий из керамики на базе настольно-сверлильного станка.
Стол приспособления для доводки керамики (рис. 5) состоит из корпуса 5, на котором установлен поворотный стол.
На поворотном столе установлена съемная плита 2, на которую устанавливается чугунный притир. Вал 1 собирается вне сборочного узла, и устанавливается
в посадочные отверстия корпуса и крышек.
Вращение стола происходит по круговым направляющим V-образного конического профиля. Защита направляющих от пыли осуществляется благодаря лабиринтному
уплотнению 13 и 14.
Вращение стола осуществляется от электродвигателя 27 через ременную передачу на вал 1. Электродвигатель крепится к плите 6 и при вращении винта
17 имеет возможность перемещаться по направляющим для регулировки натяжение ремня.
Рисунок 5 – Стол для доводки керамики
Конструкция доводочной головки (рис.6) состоит из двух ременных передач. Крепление головки в шпиндель станка осуществляется с помощью конуса 2.
На втором ведомом шкиве расположен палец 3, на который крепится заготовка.
Натяжение ремня 16 в первой передачи осуществляется путем смещения стакана в пазе, которое фиксируется втулкой с резьбой 9, болтом 18 и гайкой 19.
Натяжение ремня 17 во второй передаче осуществляется поворотом эксцентриковой втулки, расположенной на шлицах.
Рисунок 6 – Доводочная головка
В результате эксперимента установлено, что шероховатость керамических колец последовательно уменьшается при обработке пастами
с меньшей зернистостью. Изменение высотных параметров микрорельефа во времени имеет экспонентный характер. Уменьшение середнеарифметичного отклонения
профиля устанавливалось на уровне 0,01-0,02 от средней величины зерен в пасте, то есть Ra=(0,01...0,02)d.
При последующем доведении пастами с зернистостью 10/7 величина постоянного значения определялась как структурой, так и свойствами
обрабатываемого материала. Если для керамики на основе TIN и ALN постоянное значение отвечало выше приведенному соотношению, то для керамики на основе ВК6 значения
параметра Rа было меньшим почти на порядок. Применение пасти 3/2 практически не влияло на смену параметра Rа.
Таким образом, в результате исследований было установлено, что выбор режимов и зернистости абразивного порошка определяется требованиями к
высотным параметрам микрорельефа изделий из керамики и производительности процесса. Предельные значения уровня неравенств определяются рядом с размером
зерна также и физико-механическими и структурными свойствами обрабатываемого материала. Доминирующим фактором, который влияет на качество (шероховатость) и
производительность процесса доведения свободным абразивом, является размер зерна шлифовального порошка. С увеличением размера зерен растет шероховатость
формуемой поверхности.
Качество поверхности после доведения свободным абразивом зависит от скорости процесса и удельного давления. С увеличением рабочей скорости
и уменьшениям удельного давления величина шероховатости обрабатываемой поверхности снижается. Производительность процесса доведения с увеличением скорости
и давления в зоне обработки растет до тех пор, пока рост давления не сопровождается раздавливанием зерен абразива и нарушением условий обработки.
Результаты эксперимента показали, что спроектированный станок полной мерой обеспечивает решение сформулированных задач, связанных с
изучением обрабатываемости антифрикционной керамики на операциях доводки.
Содержание
3. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ВЫВОДЫ.
Работоспособность сопряженных поверхностей трения детали и узлов многих машин зависит от герметической точности и
шероховатости их рабочих поверхностей, особенностей поверхностного слоя. Требования к точности размеров и формы
поверхностного слоя прецизионных деталей машин и приборов могут быть обеспечены на окончательных операциях изготовления
методами абразивной доводки. Доводка является окончательным методом обработки изделий из керамики, обеспечивающим
высокое качество поверхностного слоя с шероховатостью до Rz=0,050....0,010 мкм.
Для проведения научных исследований по определению обрабатываемости различных видов технической керамики на операциях доводки
был спроектирован специальный станок на базе модернизированного настольного вертикально-сверлильного станка. Для этого по результатам
анализа существующих компоновок доводочных станков был выбран наиболее выгодный вариант компоновки, а также спроектированы
элементы приспособлений для доводки в составе стола для крепления чугунного притира и доводочной головки. Экспериментным стендом, реализующим доводку был выбран
модернизированный настольно-сверлильный станок, эффективность которого была подтверждена при проведении лабораторных
исследований относительно определения обрабатываемости различных типов антифрикционной керамики на операциях доводки.
В результате исследований определено, что выбор режимов и зернистости абразива определяются требованиями к высотным параметрам микрорельефа
изделия из керамики и производительности процесса. Граничные значения уровня микронеровностей определяются вместе с размером зерна
также и физико-механическими и структурными особенностями обрабатываемого материала.
Доминирующим фактором, влияющим на качество (шероховатость) поверхности и производительность процесса шлифования свободным абразивом является
размер зерна шлифовального порошка. С увеличением размера зерен увеличивается шероховатость формируемой поверхности, зависимость которой
имеет вид Ra=(0,01...0,02)d. Качество поверхности после доводки зависит от скорости процесса и удельного давления. С
увеличением скорости и уменьшением удельного давления величина шероховатости обрабатываемой поверхности снижается.
Производительность процесса доводки с увеличением скорости и давления в зоне обработки увеличивается до тех пор, пока увеличение
давления не сопровождается раздавливанием зерен абразива и нарушением условий обработки.
Спроектированный станок может быть рекомендован для реализации операции доводки малогабаритных деталей из керамики в
мелкосерийном производстве.
Содержание
ЛИТЕРАТУРА
- Алмазная обработка технической керамики / Д.Б. Ваксер, В.А. Иванов, Н.В. Никитков, В.Б. Рабинович. – Л.:
Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1976. – 160 с.
- Орлов П.Н. Технологическое обеспечение качества деталей методами доводки. – М.: Машиностроение, 1988. – 384 с.
- Бабаев С.Г., Садыгов П.Г. Притирка и доводка поверхностей деталей машин. – М.: машиностроение, 1972. – 120 с.
- Ящерицын П.И., Попов С.А., Наерман М.С. Прогрессивная технология финишной обработки деталей. – Мн.: Беларусь, 1978. – 173 с.
- Орап А.А., Стахнив Н.Е., Сохань С.В. Доводка и полирование прецизионных плоских деталей. // Станки и инструмент. – 1992.– №3. – С.24-27.
- Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник/Под. Ред. А.Н.Резникова. – М.: Машиностроение, 1977. – 390 с.
- Ящерицын П.И., Мартынов А.Н. Чистовая обработка деталей в машиностроении: [Учеб.пособие]. – Мн.: Выш.школа, 1983. – 191 с.
- Сохань С.В. Доводка торцовых уплотнений из карбида кремния на алмазных планшайбах. // Вестник машиностроения. – 1996. – №1. –С.23-26.
-
http://www.tehinf.ru/th_art080629_proc_obrab_abraziv_instr04.htm
-
http://proftech.ru/machine-tools/Machining_tools_technical_descri/dovodka.php
Содержание
Важное замечание
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение
декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его
руководителя после указанной даты.