Технологічні можливості підвищення довговічності інструменту для виробництва волоконних кабелів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.923.6

Автореферат

Дисертації на здобуття наукового ступеня Кандидата технічних наук

ТЕХНОЛОГІЧНІ МОЖЛИВОСТІ ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ КАБЕЛІВ

Спеціальність: 05.02.08 -- технологія машинобудування

Іоргачов Дмитро Васильович

Одеса -- 1999

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Усов Анатолій Васильович, Одеський державний політехнічний університет, завідуючий кафедрою “Вищої математики № 2”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Новосьолов Юрій Костянтинович, Севастопольський державний технічний університет, директор департаменту машинобудування;

кандидат технічних наук Вайсман Владислав Олександрович , Одеський завод прецензійного устаткування “Мікрон”, директор.

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ.

Захист відбудеться 21 вересня 1999р. о 14 години на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.05 при Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 270044, Одеса-44, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий 20 серпня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Білоконєв І.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Волокно-оптичні системи передач, що забезпечують організацію по одній лінії зв'язку велику кількість незалежних каналів, являються базою для створення високоінформаційних гнучних мереж зв'язку.

Виробництво оптичних волокон пов'язане з використанням дорого коштуючої інструментальної оснастки, в яку входять фільєри та дорн-пресформи. Мікротехнологічне забезпечення необхідних якостей робочих поверхонь інструменту, їх прецизійних геометричних характеристик особливо є актуальним.

Це повўязано з тим, що топографія інструменту проектується на виготовлену продукцію. Будь-які поверхневі зміни робочих зон інструмента, в тому числі і структурні, змінюють конфігурацію та якісні характеристики волокно-оптичної продукції.

Так, шорсткість робочих поверхонь фільєр та дорн-пресформ, відхилення їх калібруючих частин від концентричності приводить до суттєвого пониження якості виготовляємих оптичних волокон.

Порушення суцільності покрить скловолокон, ухилення їх від концентричності приводять до збільшення затухання сигналу у них і пониженню строку їх служби. Щоб досягти низького затухання і підвищення ресурсу служби оптичні волокна повинні мати високу ступінь чистоти і не містити в собі металічні включення.

Тому високі вимоги пред'являються не тільки до геометрії інструменту, а і до властивостей матеріалу, з якого виготовляється інструмент.

Дослідження впливу шорсткості та стану робочих поверхонь інструментальної оснастки на її функціональне призначення щодо якості та конкурентоздатності виготовленої волоконно-оптичної продукції є важливим народногосподарським завданням, вирішення якого дозволить одержати економію матеріальних ресурсів за рахунок підвищення стійкості і порівняно з фірменою продукцією низькою собівартістю фільєр та дорн-пресформ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на базі тематичних планів НДР Одеського державного політехнічного університету на 1997 - 1999 р. та технічних проблем ОАТ "Одескабель", які пов'язані з виробництвом опто-волоконної продукції.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка теорії та нормативних рекомендацій по технологічним методам підвищення довговічності та забезпечення необхідних якісних характеристик інструменту для виробництва волокно-оптичної продукції. Для реалізації мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

побудувати модель для дослідження термомеханічних процесів, що супроводжують механічну обробку робочих поверхонь інструменту, на базі якої можна встановити кількісні зв'язки між технологічними парметрами обробки, характеристиками матеріалів, які застосовуються для виготовлення інструменту, їх геометрією та станом оброблюваних поверхонь;

дослідити вплив шорсткості і точності робочих поверхонь інструменту на якість волокно-оптичної продукції%;.

визначити критерії вибору матеріалу і технологію виготовлення інструментальної оснастки для виробництва ВОП;

провести апробацію інструментальної оснастки безпосередньо при виробництві партії ОВП з метою визначення довговічності відносно фірмових виробів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вирішено наукову задачу по встановленню розрахункових залежностей, що визначають термомеханічні поля при обробці формоутворюючих елементів інструментальної оснастки. При цьому одержані функціональні зв'язки між технологічними параметрами, критичними значеннями температур і напружень, які формують на робочих поверхнях дефекти типу структурних змін та тріщин. Крім цього одержані формули для розрахунку значень шорсткості робочих поверхонь філь'єр та дорн-пресформ, при яких відбувається часткове відшарування з подальшим руйнуванням покриття на оптоволокні.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі проведених теоретико-експериментальних досліджень розв'язана задача підвищення ресурсу довговічності інструментального устаткування та усунення дефектоутворення при виробництві ВОП.

Особистий внесок здобувача.

Розроблена математична модель, яка описує термомеханічні явища при обробці формоутворюючих елементів інструментальної оснастки з врахуванням геометрії та властивостей інструментального матеріалу.

Встановлені функціональні зв'язки між технологічними параметрами обробки та вимогами до якості робочих поверхонь інструмента, що використовується для виробництва волокно-оптичних кабелів.

Досліджено вплив шорсткості та некруглості робочих поверхонь фільєр та дорн-матриць на механізм відшарування покриття від оптичного волокна.

Опробувані основні результати наукових досліджень шляхом випробування інструменту, виготовленого по розробленій технології та обробки його робочих поверхонь з умов забезпечення необхідних параметрів, що дозволить підвищити його довговічність в порівнянні із існуючим.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися, обговорені та схвалені на VIII Міжнародному науково-технічному семінарі “Высокие технологии в машиностроении: современные тенденции развития”, Харків-Алушта, 20-25 вересня 1998 р, Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування” Київ, 1998 р, Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми механіки і математики”, Львів, 1998 р ІППМіМ ім. Підстригача Я.С. НАН України. Дисертаційна робота в цілом розглянута і схвалена на розширеному засіданні кафедри Вищої математики №2 за участю співробітників кафедр “Технологія машинобудування”, “Металорізальні верстати, метрологія та сертифікація“ Одеського державного політехнічного університету, а також на технічній Раді ОАТ “Одескабель”.

Публікації. Результати дисертації викладені у 6 публікаціях, в тому числі є 4 статті у фахових журналах.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 3-х розділів, основних результатів і висновків, списку літератури із 140 найменувань і додатків, що містять методику експериментальних досліджень, документів про впровадження результатів дисертаційної роботи на промисловому підприємстві. Робота викладена на 150 сторінках машинописного тексту, містить 46 рисунків, 30 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображена важливість проблеми, її народногосподарське значення, актуальність питань, яким присвячена дисертація, поставлена мета роботи, сформульовані положення, що виносяться на захист, і стисло викладений зміст роботи.

У першому розділі розглянуті загальні принципи і структура виробництва цифрових систем передач.

Виробництво волоконно-оптичних систем передач відноситься до високих технологій. Про це свідчать вимоги, які пред'являються до оптичних волокон. Це, в першу чергу, забезпечення мікрогеометрії, від якої залежить якість передачі сигналів. Якість оптичних волокон залежить від інструментальної оснастки, в яку входять філь'єри та дорн-пресформи. Топографія цих інструментів проектується на конфігурацію і характеристики ВОП. Так, шорсткість робочих поверхонь фільєр, відхилення їх калібруючих частин від концентричності, приводить до суттєвого пониження якості виробляємих ВОП.

Порушення цільності покрить скловолокон, відхилення їх від концентричності приводить до збільшення затухання сигналу в них і зниженню строку їх служби.

Літературний огляд проблеми підвищення надійності та довговічності вітчизняного інструменту для виробництва ВОП а також завишені ціни на аналогічні фірмені вироби показали, що інструментальна оснастка, яка використовується на сьогодні, потребує додаткових досліджень, які в рамках вибору матеріалу на її виготовлення, так і по технології обробки робочих поверхонь.

Тому мета даної роботи полягає в розробці теорії та нормативних рекомендацій по технологічним методам підвищення довговічності і якісних характеристик інструменту для виробництва ВОП.

Ціль роботи може бути досягнута, якщо розв'язати задачі по моделюванню термомеханічних явищ при алмазній обробці робочих поверхонь інструменту, щоб забезпечити необхідні характеристиви оброблених поверхонь; дослідження впливу шорсткості і точності робочих поверхонь інструменту на дефектоутворення при виробництві ВОП; визначення критеріїв відбіру інструментального матеріалу, його попередньої обробки і подальшої технології виготовлення фільєр та дорн-пресформ.

У другому розділі побудовані моделі термомеханічних процесів, що супроводжують фінішні операції при обробці робочих поверхонь інструментальної оснастки.

Шліфування, являючись кінцевою обробкою формоутворюючих поверхонь фільєр та дорн-пресформ забезпечує високу точність і низьку шорсткість. Але ця операція має і ряд недоліків до яких, в першу чергу, відносяться тріщиноутворення та структурні зміни на оброблених поверхнях. В основі появи цих дефектів лежать термомеханічні явища, що виникають при шліфуванні. Проблемі утворення дефектів типу прижогів та тріщин на фінішних операціях присвячені роботи проф. Резніка А. Н., проф. Сипайлова В. А., проф. Якимова О. В., проф. Рижова Е. В., проф. Усова А. В. и др.

Ними та їх учнями розглянуто багато моделей по дослідженню термомеханічних процесів при шліфуванні. Більшість із розглянутих моделей зображені в розрахункових схемах у вигляді півпростору або півплощини.

В даному випадку, в зв'язку з масштабною схемою взаємодії круга із обробліваною поверхнею а також в зв'язку з мікрогеометричними розмірами фільєр не можна нехтувати їх основними геометричними характеристиками. Тому що модель з подібними допущеннями може виявитись досить грубою і оцінка температури та пружно-деформованого стану досліджуваних деталей буде неадекватною істинним значенням.

У представленій роботі дослідження температурних полів та напружень при розмірно-чистовій обробці робочих поверхонь фільєр проводять по слідуючій розрахунковій схемі. Фільєра зображається у вигляді полого кругового циліндру, довжиною з внутрішнім радіусом і зовнішнім - . Припускається, що на обох поверхнях мають місце остаточні радіальні технологічні напруження, які виникли від попередніх операцій, починаючи з операції одержання заготівки.

Температурне поле робочої зони фільєри, що виникає при шліфуванні внаслідок виділення тепла

ds dф, (1)

визначається із розв'язку рівняння теплопровідності

, (2)

при початкових умовах , (3) і граничних умовах

(4)

У приведених формулах S - площа обробленої поверхні; М - довільна точка робочої частини інструменту; t - час обробки за один прохід; - тепловій потік, величина якого визначається режимами обробки, та характеристиками шліфувального круга; , - критерії Біо; , - коефіцієнти тепловіддачі з внутрішньої та зовнішньої поверхонь фільєр.

Термопружний стан оброблюваних поверхонь фільєр, відповідний температурному полю визначається через термопружний потенціал Ф і функцію Epi U, які задовільняють рівнянням:

Ф, (5)

. (6)

Розв'язок задачі (1)-(6) інтегральним перетворенням Фур'є по змінній z і кінцевим перетворенням по r дозволяє найти розподіл безрозмірних осьових напружень по товщині циліндричної частини філь'єри відповідно до режимів нагрівання (Рис. 1).

Порівнюючи розподіл осьових напружень по товщині фільєри можна впевнитися в тому, що максимальні температурні напруження ,що виникають при шліфуванні на режимах з q=CЦt приблизно в три рази перевершують максимальні напруження для того ж моменту часу, що і при q = q₀.

Установлено вплив величини коефіцієнту теплообміну на рівень напружень. Визначено, що рівень температурних напружень зростає із збільшення коефіцієнту тепловіддачі.

В процесі обробки шліфуванням робочих поверхонь фільєр важливим є не тільки визначення рівня і місця находження максимальних напружень, але і часу, коли вони досягають.

Дослідження впливу шорсткості робочих поверхонь фільєр на втомлену міцність та якість ВОП проводились на базі розрахункової схеми (рис. 2) по визначенню пружно-деформованого стану системи скловолоконо-покриття.

При поступовому русі волокна крізь філь'єру, яка має некруглість , або шорсткість Ra на дільниці (-, ) його циліндричній поверхні формується часткове відшарування. Ці дільниці під дією робочих дотичних напружень можуть досягати таких значень відшарування покриття, при яких можливе повне відшарування покриття по усій циліндричній поверхні.

Рівняння Ламе відносно переміщення , , запишеться у вигляді:

. (7)

Гранині умови

(8)

Умови на дефекті

(9)

Умови нерозривності дотичних напружень по межі волокно-покриття:

і . (10)

Рівняння (7)-(10) визначають антиплоску задачу для системи волокно-покриття з урахуванням дефекту типу відшарування, який виникає із-за шорсткості робочої зони фільєри, або некруглості її калібруючої частини.

Вирішення поставленої задачі методом узагальнених інтегральних перетворень дозволило одержати розрахункові значення для інтенсивності напружень К_ІІІ у місцях часткового відшарування покриття від волокна.

Аналіз коефіцієнта К_ІІІ в залежності від умов зчеплення покриття з волокном показав, що шорсткіть Ra робочої зони інструменту і величина дільниці відшарування (-, ) мають прямий зв'язок (Рис. 3).

Аналіз теоретико-експериментальних залежностей показав, що для необхідних якостей ВОП потрібно при виготовленні філь'єр забезпечити на їх робочих поверхнях шорсткість Ra Ј 1,1. При цьому математичне сподівання розмірів дільниць відшарування буде знаходитися у рамках можливостей технологічного процесу нанесення покриття, при яких буде зберігатися рівновага часткових відшарувань під дією технологічних напружень.

Якщо шорсткість робочих поверхонь фільєр така, що має місце система дільниць відшарування покриття від скловолокна, то можлива зміна коефіцієнту інтенсивності напружень К₁₁₁ в зв"язку з їх взаємним впливом. Залежність КІН від відстані між дільницями відшарування показала, що із збільшенням відстані між ними зменьшується і інтенсивність напружень

Таким чином, на основі теоретичних досліджень по розробленим моделям теплового та пружно-деформованого стану інструменту при обробці його робочих поверхонь, а також оцінки впливу шорсткості на якість ВОП можна сформулювати вимоги до технологічних умов його виготовлення.

Існуючі методики оцінки міцності інструменту, які одержані порошковою металургією по рівню граничного пружного стану, який формується в ньому при механічній обробці являються малоефективними. При таких розрахунках ігнорірується наявність спадкових дефектів у оброблюваному матеріалі, а також наявність ростущих докритичних тріщин, що приводить до значного завищення допускаємих напружень і в результаті до помилкової оцінки ресурсу інструмента.

Ресурс інструмента можна описати виразом

, (11)

де - доля довговічності, при рості мікродефектів під час механічної обробки до розміра макродефекта; - довговічність інструменту, пов'язана з ростом макротріщини в період експлуатаційних навантажень до критичного розміру.

Враховуючи, що інструментальному матеріалу із твердих сплавів ізначально присуща висока дефектність, складова формули (11) може бути основною частиною довговічності філь'єр, тобто повністю визначати ресурс інструмента.

Для визначення ресурсу інструмента використовуються характеристики опіру матеріалу росту втомленої тріщини, яка виникає на етапі шліфування формоутворюючих поверхонь.

Процес шліфування супроводжується інтенсивним тепловиділенням у зоні контакту круга з оброблюваною поверхнею. При цьому, термомеханічні процеси формують властивості поверхневого шару дорн-пресформ та фільєр.

Тому для забезпечення якості оброблюваних поверхонь, при яких ресурс інструменту має бути максимальним, необхідно по встановленим функціональним зв"язкам між фізико-механічними властивостями інструментального матеріалу та параметрами операції шліфування підібрати такі режими обробки, СОС та характеристики шліфувальних кругів, щоб поточні значення контактної температури шліфування,теплового потіку, напружень, коефіцієнту в"язкості руйнування не досягали своїх граничних значень.

В роботі розглядається система граничних нерівностей, які дозволяють раціонально вибирати технологічні параметри, що забезпечать необхідні якості оброблюваних поверхонь досліджуючих інструментів.

Щоб запобігти структурних перетворень в інструментальному матеріалі при шліфуванні, необхідно обмежити контактну температуру температурою структурних змін.

Враховуючи те, що поточні значення температури шліфування визначаються режимами обробки та характеристиками круга послідовно визначається глибина шліфування, швидкість круга та деталі, поперечна подача можно ітераційно наблизитися до продуктивної обробки при якій оптимальна температура шліфування не перевершує температуру структурних змін. Фрактографічний аналіз ізломів фільєр та дорн-пресформ показав, що тріщини на їх робочих поверхнях носять характер термічної втоми. Під дією змінних напружень,які виникають при шліфуванні, внаслідок нерівномірного нагрівання та охолодження спостерігається вагома локалізація деформації. Внутрішні дефекти, що виникають на попередніх технологічних операціях при виготовленні фільєр та дорн-пресформ, являючись концентраторами напружень, сприяють зародженню шліфовочних тріщин.

Тому при виборі матеріалу для одержання заготівок фільєр та дорн-пресформ, враховувались низький коефіцієнт теплового розширення, висока теплопровідність, низький модуль упругості. Такий підхід у виборі фізико-механічних властивостей матеріалу для заготівок інструменту додатково дає резерв його довговічності.

Теоретичні дослідження по визначенню впливу шорсткості робочих поверхонь інструменту на якість волокно-оптичної продукції показали, що в діапазоні 0,5<Ra <1,1 мкм, можливі дільниці відшарування покриття від скловолокна будуть находитися у стані рівноваги. Тобто, інтенсивність технологічних напружень не буде сприяти відшаруванню покриття від волокна.

У третьому розділі досліджується вплив властивостей матеріалу інструмента на оброблюваність та довговічність. На підставі теоретично-експериментальних досліджень і призначення філь'єр та дорн-пресформ матеріалом для них були обрані тверді сплави. Фізико-механічні характеристики сплавів ВК 6, ВК 8, ВК 15 регулюються хімічним составом, величиною зерна порошка карбіда вольфрама, тобто визначаються властивостями фазових складових.

Як при механічній обробці, так і в умовах експлуатації важливими характеристиками цих сплавів є опір деформуванню та руйнуванню. Він залежить від внутрішнього пружного стану, що формується на етапі одержання заготівки і має термічне походження, а також від температурно-силових факторів, які супроводжують механічну обробку робочих поверхонь, особливо на фінішних операціях.

Аналіз впливу цих факторів на якісні характеристики робочих поверхонь готового інструменту дозволив виявити слабкі місця у структурі розглядаючих сплавів і враховувати їх при розробці технологічних процесів виробництва.

Поряд з перевагою сплавів ВК у їх зносостійкості вони мають низькі значення тріщиностійкості, що є однією з причин тріщиноутворення при обробці їх шліфуванням. Тому дослідження впливу величини зерна WC на К_1с, а також об'ємного змісту кобальта у сплаві дає змогу виявити резерви підвищення характеристики К_1с (рис.4 ) і тим самим зменшити ймовірність тріщиноутворення на робочих поверхнях філь'єр при кінцевих операціях.

Одним із заходів по зміні пружного стану поверхневого шару, зниженню величини максимальних напружень ростягу є об'ємне зміцнення заготівок термічною обробкою.

Літературний огляд по технологічним методам підвищення механічних характеристик твердих сплавів і зниженню остаточних напружень розтягу в заготівках слідчить, що основою процесу зміцнення сплавів ВК є закалка, яка дозволяє фіксувати структурні зміни під час нагрівання. Оптимальні умови нагрівання і охолодження для ВК 15 показали, що міцність та довговічність підвищуються після нагрівання до температури вище 1273 К та охолодження у нагрітих середовищах.

Велике значення для ефективної термічної обробки має правильний вибір середовища гартування. Застосування середовищ гартування із різною швидкістю охолодження (повітря, вода, масло, нагріте до 347 і 453 К, селітра, нагріта до 553 і 673 К) дозволили встановити оптимальні умови охолодження сплавів ВК при гартуванні. Структурні зміни, що відбуваються при гартуванні сплавів ВК по оптимальним режимам, зумовлюють підвищення їх характеристик міцності та деформування. Після гартування спостерігається зменьшення теплопровідності на 30 % та температуропровідності а.

Кінцевою розмірною обробкою філь'єр та дорн-пресформ є абразивна обробка. При цьому на стан певерхневого шару впливають два основні фактори зусилля та локальні температури. Величина зусіль шліфування незначна і вони в деякій мірі сприяють підвищенню твердості та формуванню у поверхневому шарі остаточних напружень стиснення. В більшій мірі виявляється вплив температур та теплових потіків, що формуються в ньому при шліфуванні. При локальній дії температури у поверхневому шарі виникають неоднорідні термопружні деформації, структурні та фазові зміни, які супроводжуються зменьшенням питомого об'єму і як наслідок цього утворенню остаточних напружень розтягу, що в свою чергу сприяє тріщиноутворенню на робочих поверхнях інструменту.

Величина цих напружень, глибина їх розповсюдження залежить від режимів обробки, характеристик шліфувальних кругів.

Дослідження якості робочих поверхонь філь'єр та дорн-пресформ виготовлених із ВК15, після шліфування їх алмазними кругами К3 показали, що шліфування карборундовими кругами приводить до появи остаточних напружень розтягу та мікротріщин. При цьому міцність ВК 15 при згинанні понижується в 1,5-2 раза.

Завдяки таким особливостям алмазів, як висока твердість і низький коефіцієнт тертя, велика площа загострення ріжучих кромок, шлифування алмазним кругом відрізняється від шліфування іншим абразивом меньшими зусиллями різання більш низькими температурами та інтенсивністю теплових потіків у зоні різання.

В зв'язку з цим були досліджені алмазні круги з різними сполученнями на операції шліфування філь'єр із ВК 15. Найкращі якості поверхневого шару філь'єр були досягнуті при шліфуванні алмазним кругом АСОМ4 (табл. 1) Довговічність філь'єр після алмазної обробки вказаним кругом збільшилась на порядок. Шорсткість поверхні, обробленої цим кругом знаходилась в межах мкм. Питомі витрати алмазу при шліфуванні ВК 15 кругами на сполученнях МО4, МО13 значно нижче, ніж при роботі кругами на сполученнях Б1, Б11. Після алмазного шліфування на поверхні філь'єр появляються напруження стиску, які досягають 2500 МПа. Однак глибина шару з такими напруженнями не перевищує 1 мкм. При подальшому віддаленні від оброблюваної поверхні величина вказаних напружень падає і вже на глибині мкм ці напруження змінюють свій знак на протилежний. Одержані результати можна пояснити, виходячи із особливостей алмазних кругів та температури у зоні контакту при шліфуванні сплаву ВК 15. В зв'язку з більшою теплопровідністю металевих сполучень, визначним фактором при шліфуванні кругами на цих сполученнях є силовий вплив, який формує більш глибокий поверхневий шар у твердому сплаві з остаточними напруженнями стиску.

Таким чином, з точки зору забезпечення якісних характеристик робочих поверхонь філь'єр із твердих сплавів рекомендуються алмазні круги на сполученнях МО4. Режими алмазного шліфування та їх вплив на міцність та шорсткість робочих поверхонь інструменту досліджувались на кругах АСВ із сполученням МО4 зернистістю 80/60, концентрації 100 %. При цьому визначились характер залежності границі міцності , довговічності, остаточних напружень стиску на поверхні, остаточних напружень розтягу у приповерхневому шарі і глибини від поверхні точки зміни знака остаточних напружень від величини продольної та поперечної подачі, а також глибини шліфування. Аналіз показав, що найбільший вплив на величину та довговічність чинять поперечна подача і в меньшій мірі - продольна подача та глибина шліфування. Із збільшенням цих параметрів міцність та довговічність твердого сплаву зменьшуються. Найбільш висока довговічність досягається при самих м'ягких режимах шліфування. Швидкість круга у діапазоні 25 м/с - 35 м/с приводить до збільшення контактної температури на %.

В зв'язку з тим, що геометричні розміри досліджуючих інструментів незначні - мм, мм, , виникають проблеми, пов'язані з масштабним ефектом при rx виготовленні. Статичний розподіл по об'єму інструменту дефектів при спіканні заготівок приводить до того, що їх міцність визначається не середньою, а місцевою пружністю у зоні небезпечного дефекту.

Вплив дефекту на зміну міцності і умови бездефектного шліфування можна реалізувати, використовуючи вірогідну інформацію про структуру твердих сплавів. Так, якщо структурні недосконалості мають переважний лінійний розмір довжиною 2 і залягають вони на глибіні мкм під зоною інтенсивного тепловиділення при обробці шліфуванням робочих поверхонь філь'єр, то використовуючи критеріальне співвідношення:

робочий технологічний оптичний волокно

(12)

можна сподіватися, що при шліфуванні на режимах при яких контактна температура Т_К досягає певних значень і нерівність виконується, на відсутність дефектів типу тріщин.

Проведена апробація виготовленої по розробленим рекомендаціям інструментальної оснастки безпосередньо при виробництві ОВП показала, що довговічність філь'єр та дорн-пресформ збільшилась у 1,2-1,3 раза. Економічний ефект, досягнутий за рахунок технологічних заходів, які спрямовані на підвищення довговічності інструменту для виробницттва ОВП, що визначені у даній роботі, склав 35-45 тис. гривень у цінах кінця 1998р.

ВИСНОВКИ

Встановлено, що на довговічність інструменту для виробництва волоконних кабелів впливають технологічні дефекти, які привносяться у поверхневий шар на технологічних операціях, починаючи із вибіру інструментального матеріалу, одержання заготівок і подальших методів їх механічної обробки.

Ресурс інструменту можна підвищити, якщо зменшити густину цих дефектів за рахунок попередніх технологічних операцій, як-то зміцненням термічною обробкою заготівок філь"єр призначенням раціональних режимів обробки та параметрів технологічної системи на фінішних операція

Побудована модель для дослідження термомеханічних явищ, що супроводжують механічну обробку робочих поверхонь інструменту на базі якої встановлені кількісні зв"язки між технологічними параметрами обробки, характеристиками інструментального матеріалу, геометрією та станом оброблюваних поверхонь. Особливістю побудованої моделі є те, що в ній враховується геометрія виготовлених інструментів. Одержані критеріальні співвідношення для визначення умов тріщиноутворення та структурних змін на робочих поверхнях інструменту при механічній обробці.

Визначений вплив шорсткості робочих поверхонь інструменту на якість волокно-оптичної продукції. Показано, що на розміри дільниць часткового відшарування покриття на оптичному волокні залежать від величини Ra. Для забезпечення необхідних якісних характеристик ВОП необхідно, що б робочі поверхні інструменту мали шорсткість Ra=1,2-- 0,8 мкм

Визначені раціональні властивості інструментального матеріалу та технологічні умови для виготовлення інструментальної оснастки. Досліджено вплив наслідкових дефектів структури матеріалу філь"єр на втомлену довговічність. Встановлено, що термічна обробка заготівок філь"єр та дорн-пресформ із твердих сплавів підвищує їх трішиностійлість, тим самим створюючи певний запас для усунення дефектів типу тріщин на операції шліфування.

При абразивній обробці на стан робочих поверхонь інструменту впливають два основні фактори - сили різання та локальна температура. Дія сил на поверхні приводить до утворення остаточних напружень стискування. Під дією температур шліфування та теплових потіків у поверхневому шарі внаслідок неоднорідних і фазових змін, формуються остаточні напруження розтягу, які в свою чергу сприяють тріщиноутворенню на оброблюваних поверхнях.

Для чистових операцій формоутворюючих поверхонь інструменту ввибрані алмазні круги. Завдяки високій твердості та низькому коефіцієнті тертя, шліфування алмазними кругами відрізняється меншими зусиллями різання і більш низькими температурами у зоні різання.

Розроблені рекомендації по вибіру режимів шліфування, параметрів алмазних кругів і особливостей їх експлуатації при обробці філь"єр та дорн-пресформ, для забезпечення необхідної шорсткості, відсутності на їх робочих поверхнях дефектів типу тріщин та прижогів.

Економічний ефект від впровадження розробок на підприємствах Міністерства зв"язку склав 60 тис. грн за рахунок зменшення закупок інструменту іноземних фірм, підвищення стійкості вітчизняного інструменту в 1,25 рази. Крім цього, вдалося зменшити брак по причині відшарування покрить від волокна на 10%, що склало 10 тис. грн на 500 км кабеля.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Усов А.В., Зеленый А.М., Иоргачев Д.В. и др. Повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей из материалов, предрасположенных к трещинообразованию. //Журнал "Проблемы прочности". - 1998. - №4. - С.93-105.

Усов А.В., Зеленый А.М., Иоргачев Д.В. Технические проблемы производства кабельной и волоконно-оптической продукции.//Журнал "Перспективы" - №2 - 1998. - С.88-93.

Усов А.В., Богач А.А., Иоргачев Д.В. Применение ЭВМ для управления качественными характеристиками шлифуемых поверхностей.//Зб.наукових праць ХДПУ "Високі технології в машинобудуванні", Харків - 1998 - с.285-288.

Усов А.В., Зелений О.М., Іоргачов Д.В. Математичний аналіз умов відриву у виробах з покриттям.//Журнал Вісник Державного університету "Львівська політехніка" Прикладна математика, №337, Львів, 1998. - с.277-280.

Усов А., Зелений А., Іоргачов Д. Математичне моделювання термомеханічних явищ при механічній обробці металів.//НАН України, ІППМіМ ім.Підстригача Я.С. Матеріали міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми механіки і математики", Львів - 1998. - с.153-154.

Усов А.В., Иоргачев Д.В.. Технологические возможности повышения стойкости инструмента для производства волоконно-оптической продукции. //Праці Міжнародної наук.-техн.конф. "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування. Т.II, К. - 1998 р. - С.15-19.

АНОТАЦІЇ

Іоргачов Д.В. Технологічні можливості підвищення довговічності інструменту для виробнитва волоконних кабелів.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 02. 08 - Технологія машинобудування.- Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 1999.

Дисертація присвячена питанням забезпечення необхідних якостей робочих поверхонь фільєр та дорн-пресформ завдяки раціональним технологічним параметрам, особливо на фінішних операціях, що сприяє підвищенню довговічності цих інструментів та якості виробляємої волоконно-оптичної продукції.

Розроблена модель для вивчення термомеханічних процесів, що супроводжують операцію шліфування робочих поверхонь інструментів, дозволяє одержати критеріальні співвідношення, технологічна реалізація яких дозволить запобігти дефектоутворенню на оброблюваних поверхнях, тим самим сприяти підвищенню їх довговічності.

Дослідження впливу шорсткості робочих поверхонь інструментів на відшарування покріття від оптичного волокна дозволили установити межу величини шорсткості, нижче якої можна запобігти явища відшарування і тим самим забезпечити необхідну якість оптично-волоконної продукції.

По встановленим критеріям визначені фізико-механічні властивості інструментального матеріалу, технологічні заходи для одержання якісних заготівок.

Алмазна обробка робочих поверхонь фільєр та дорн-пресформ кругами, параметри яких та режими шліфування чітко детерміновані властивостями твердих сплавів, дозволила підвищити довговічність інструменту, про що свідчать результати практичного впровадження їх в кабельне виробництво.

Ключові слова: шліфування, термомеханічні явища, інструмент, фільєра, робоча поверхня, дефектоутворення, шорсткість.

Иоргачев Д. В. Технологические возможности повышения договечности инструмента для производства волоконных кабелей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05. 02. 08 - Технология машиностроения.- Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1999.

Диссертация посвящена вопросам обеспечения необходимых качеств рабочих поверхностей фильер и дорн-прессформ за счет рациональных технологических параметров, особенно на финишных операциях, что будет способствовать повышению долговечности этих инструментов и качеству выпускаемой волоконно-оптической продукции.

Шлифование является окончательным видом обработки формообразующих поверхностей инструментальной оснастки, обеспечивающей высокую точность и низкую шероховатость. Однако, эта операция обладает и рядом недостатков к которым, в первую очередь, относится образование на шлифуемых поверхно стях дефектов типа прижогов и трещин.В основе их появления лежат термоме ханические процессы, моделирование которых является предметом многих исследований.

В отличие от известных моделей, разработанная модель для исследования термомеханических процессов, сопровождающих операцию шлифования учитывает геометрию фильер и дорн-прессформ, характер интенсивности тепло выделения в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхнос-тью, а также теплофизические свойства материала фильер. Температурное поле рабочей поверхности фильеры, формирующееся под действием выделяемого при шлифовании тепла, определялось из решения уравнения теплопроводности при нулевых начальных условиях. Граничные условия учитывали теплообмен с окружающей средой. В работе приведены графики изменения температур при различных значениях плотностей теплового потока, которые определялись рас- четным путем в зависимости от режимов шлифования и характеристик кругов.

Температурные напряжения определялись из решения уравнения термоупругости с соответствующими начальными и граничными условиями. Установлено, что для обеспечения минимальных температурных напряжений в прцессе шлифования необходимо минимизировать тепловой поток за счет более мягких режимов обработки. Наибольшие по величине напряжения имеют место на внешних и внутренних поверхностях фильер Уровень температурных напряжений возростает с увеличением коэффициента теплоотдачи. Для избежа-ния дефектов типа прижогов и трещин на рабочих поверхностях фильер и дорн-пресформ, необходимо контролировать величины контактной температуры и значения максимальных напряжений соответствующим назначением режимов обработки и подбором характеристик шлифовальных кругов. Кроме этого, при подборе инструментального материала, следует руководствоваться его трещино-стойкостью, которая во многом зависит от дефектности структуры, приобретенной по ходу технологии изготовления фильер, начиная с методов получения заготовок.

Выполненные теоретические исследования были использованы для формулировки критериев назначения режимов шлифования и подбора кругов, позволяющих повысить долговечность фильер и дорн- прессформ.

В работе представлены также исследования по изучению влияния шерохо-ватости рабочих поверхностей инструмента на отслаивание покрытий от оптического волокна. Поставлена и решена задача о напряженно-деформированном состоянии системы покрытие-волокно с участками частичного отслоения. Анализ коэффициента интенсивности напряжений К₁₁₁ в зависимости от технологических показателей и условий сцепления покрытия с волокном показал, что шероховатость Ra рабочей зоны инструмента и величина участка отслоения имеют детерминированную связь.

На основании теоретико-экспериментальных исследований по разработанным моделям теплового и напряженно-деформированного состояния инструмента при обработке его рабочих поверхностей, а также оценки влияния шероховатости на качество изготавливаемой продукции, сформулированы требования по выбору инструментального материала и техно-логии изготовления фильер и дорн-прессформ. Реализация этих требований по-зволит избежать потери ресурса долговечности инструмента на этапе его изго-товления

Моделирование термомеханического состояния рабочих поверхностей инструментальной оснастки при ее изготовлении и условий эксплуатации пока-зало, что для фильер и дорн-прессформ оптимально подходящим материалом являются вольфрам-кобальтовые твердые сплавы. Для повышения их прочности необходимо производить закалку, которая дополнительно создает резерв для повышения долговечности как в процессе эксплуатации, так и при подготовке заготовок инструмента к финишным операциям.

Абразивная обработка рабочих поверхностей инструментальной оснастки позволяет обеспечить необходимую шероховатость. Однако, под действием тем-ператур шлифования в поверхностном слое происходят неоднородные упругопластические деформации, структурные и фазовые изменения. Следствием этого является образование дефектов типа трещин или формирова-ние остаточных напряжений растяжения. Поэтому, в работе по установленным детерминированным связям назначаются такие режимы шлифования, характеристики кругов и смазочно-охлаждающие среды, чтобы избежать выше-упомянутых недостатков.

В качестве кругов рекомендуются алмазные круги, которые благодаря вы-сокой твердости и низкому коэффициенту трения при шлифовании создают меньшие усилия резания и более низкие температуры в зоне резания. В результате этого, в поверхностном слое инструментального материала могут формироваться остаточные напряжения сжатия. Величина этих напряжений, глу-бина их распространения, а также концентрация в местах скопления различного рода неоднородностей и пор, зависят от характеристики алмазного круга и режимов шлифования. Однако, как показали исследования, при шлифовании рабочих поверхностей фильер и дорн-прессформ определяющими для увеличения долговечности являются не сжимающие напряжения, а величина напряжений растяжения и глубина их залегания в приповерхностном слое

Рекомендованные режимы шлифования и характеристики алмазных кругов позволили увеличить долговечность фильер и дорн-прессформ в 1,2 раза и получить экономический эффект от их внедрения в производство волоконно-оптических кабелей.

Ключевые слова: шлифование, термомеханичекие процессы, инструмент, фильера, рабочая поверхность, дефектообразование шероховатость.

Iorgachev D.V. Technological opportunities of increasing the durability of the fibre cables. - Manuscript.

The dissertation in candidacy for a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05. 02. 08 - The engineering technology .- Odessa state polytechnic university, Odessa, 1999.

The dissertation is devoted to the question of maintenance the necessary qualities of working surfaces die plates and mandrel pressforms at the expense of rational technological parameters, especially on finishing operations, which will promote the increasing the durability of these tools and quality of fiber-optical production.

The model for research of the thermomechanical processes is developed; these processes accompany with operation of grinding of working surfaces of the tools. On the basis of this model some ratio criteria are received, which technological realisation will allow to avoid defects formation on the working surfaces, thus to promote the increasing their durability.

The researches of the influence of a roughness of working surfaces on covering foliation from an optical fibre have allowed to establish delimits of a roughness, below which can be avoided the phenomenon of a covering foliation and by that to supply required qualities of fibreoptical production.

The technological conditions for manufacture of qualitative workpieces were determined by the established criteria of the physicomechanical properties of the material.

Key words: grinding, product with a covering, offlayering, cracks and offshear forming, fibreoptical, thermomechanical, qualitis, surfaces, plates

Размещено на Allbest.ru