Технологічні основи підвищення ефективності обробки та забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.923.1:66/68

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОБРОБКИ ТА ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ВИРОБІВ ІЗ ТЕХНІЧНИХ СТЕКОЛ І СИТАЛІВ

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Калафатова Людмила Павлівна

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Михайлов Олександр Миколайович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Мовшович Олександр Яковлевич, Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України, м. Харків, головний інженер;

доктор технічних наук, доцент Мельниченко Олександр Анатолійович, Українська інженерно-педагогічна академія Міністерства освіти і науки України, м. Харків, завідувач кафедри проектування та експлуатації технологічних систем машин;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Філатов Юрій Данилович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник.

Провідна установа Відкрите акціонерне товариство “Мотор Січ” Міністерства промислової політики України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться 14 березня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 07 лютого 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток науки і техніки ставить перед сучасним машинобудуванням ряд різноманітних завдань, одним із яких є надійне забезпечення технічних характеристик виробів типу конструкцій, які працюють у широкому діапазоні температур, при складному поєднанні змінних силових і теплових дій, в агресивних робочих середовищах. Часто умови експлуатації виробів такі, що для їх виготовлення неможливо або нераціонально використовувати метали. Вирішення цього завдання досягається за рахунок розробки і впровадження неметалевих матеріалів, зокрема, технічних стекол і ситалів, які мають комплекс необхідних властивостей, при наявності прогресивних технологічних процесів (ТП) їх обробки.

У нинішній час ці матеріали широко використовуються в конструкціях виробів електромашинобудування, ядерної енергетики, ракето- й літакобудування, космічної техніки, приладобудування. До виробів такого класу ставляться підвищені вимоги за точністю механічної обробки та якістю поверхні, що формується (шорсткість не більша, ніж 0,08 - 0,04 мкм і практично повна відсутність дефектного шару, що сформувався при обробці). Тому ТП обробки виробів включають операції шліфування, на яких відбувається їх формоутворення, фінішні операції доводки або полірування, що забезпечують необхідний рівень шорсткості та мінімальну дефектність поверхневого шару деталі. У комбіновано-дефектних ситалах і стеклах дефектний шар, що залишився, вилучають на операції комбінованого зміцнення, до якої входять хімічне травлення обробленої поверхні виробу та зміцнення її іонним обміном.

У зв'язку з високими трудоємкістю фінішних операцій, вартістю та екологічною шкідливістю операції зміцнення досягнути високого ступеня ефективності процесу обробки й зниження її собівартості можна шляхом забезпечення мінімальної дефектності обробленої поверхні в поєднанні з високою продуктивністю шліфування. На цей час немає достатньо обґрунтованих технологічних принципів і наукових основ проектування ТП обробки виробів - конструкцій із стекломатеріалів. Тому розробка технологічних основ підвищення ефективності (зниження собівартості) обробки виробів із технічних стекол і ситалів при забезпеченні заданої якості, які здійснюються за рахунок вибору раціональних умов їх обробки, є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах наукової тематики кафедри “Металорізальні верстати та інструменти” Донецького національного технічного університету і базується на результатах ряду проведених науково-дослідних робіт. У період з 1983 по 1993 р.р. - госпдоговірні теми: 3.16.036.03, № ГР 80034586; 13ВН 36.1408.04, № ГР 77034322 і 3.16.036.10, № ГР 80007504. Із 1994 по 2001 р.р. під керівництвом автора дослідження відбувалися в межах таких держбюджетних наукових тем: № ГР 0194U00988890; № ГР 0195U009056; № ГР 0199U001114. Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка технологічних основ підвищення ефективності обробки та забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів шляхом обґрунтування раціональних умов їх обробки (схем і режимів шліфування, характеристик різальних інструментів, властивостей технологічних середовищ, послідовності обробки). Задачі дослідження:

Обґрунтування основного принципу керування параметрами дефектного шару при обробці виробів із технічних стекол і ситалів шляхом зміни рівня силової дії в процесі різання, визначеного властивостями оброблюваного матеріалу та вхідними технологічними параметрами процесу обробки.

Розробка методології теоретичних і експериментальних досліджень процесів технологічних перетворень під час виготовлення виробів із технічних стекол і ситалів для прогнозування рівня технологічної собівартості, яка прийнята як критерій оцінки ефективності перетворень, з урахуванням ступеня дефектності, що формується.

Розробка математичної моделі утворення дефектності поверхні, що формується при шліфуванні, яка враховує зміни напруженого стану зони різання та технологічну спадковість попередніх операцій і переходів.

4. Розкриття особливостей розвитку дефектного шару в оброблюваному матеріалі при варіації рівня вхідних технологічних параметрів процесу різання за допомогою комп'ютерно-математичного моделювання напружено-деформованого стану оброблюваного виробу.

5. Теоретичне обґрунтування можливості направленої зміни фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу (його знеміцнення) під впливом поверхнево-активних технологічних середовищ із заданими властивостями. Розробка рекомендацій щодо використання комплексу середовищ, які забезпечують формування необхідних якісних показників поверхневого шару виробів, що оброблюються, на різних операціях.

Розробка методики розрахування раціональних міжопераційних припусків, яка базується на визначених параметрах дефектності поверхні, що формується, і враховує технологічну спадковість.

7. Обґрунтування вихідних положень проектування раціональних технологічних процесів механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів, які забезпечують мінімальну вартість їх обробки; розробка технічних рекомендацій обробки виробів.

Об'єкт дослідження - технологія механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів.

Предмет дослідження - закономірності формування і методи керування дефектністю оброблюваних поверхонь виробів із технічних стекол і ситалів за рахунок зміни вхідних параметрів технологічних процесів обробки з метою підвищення її ефективності. Методи досліджень. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення і опису дослідного об'єкту, насамперед технології виробництва виробів типу конструкцій із технічних стекол і ситалів, процесів контактної взаємодії ріжучого інструменту з оброблюємим матеріалом, закономірностей формування і розвитку дефектного шару під час обробки з урахуванням впливу технологічних параметрів на енергоємкість процесу різання.

Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорій технології машинобудування, крихких руйнацій і дефектоутворення, імовірнісной механіки руйнації деформованого твердого тіла; сучасних методах теорії імовірності, математичного аналізу та математичного моделювання, технологічного забезпечення точності та якості параметрів виробів. Під час дослідження моделей напружено-деформованого стану зони різання, утворення і розвитку дефектного шару в матеріалах на основі скла використовувалися методи кінцевих і граничних елементів із реалізацією їх на ЕОМ і наступною оцінкою одержаних результатів за допомогою спеціально розроблених програм візуалізації зони деформації об'єкту.

Експериментальні дослідження проводяться з використанням фізичного моделювання, математичного планування експериментів, дисперсійного і кореляційного аналізів, широким використанням обчислюючої техніки.

При виконанні роботи застосовували сучасні методи оцінки параметрів стану поверхневого шару матеріалів і деталей, зокрема люмінесцентну дефектоскопію у сукупності з прецизійним хімічним травленням поверхні зразків і використанням для обрахування результатів досліджень оригінальної методики автоматизованої оцінки дефектності.

Наукова новизна одержаних результатів

Вперше встановлений функціональний зв'язок між дефектністю поверхневого шару виробів із технічних стекол і ситалів і рівнем силової дії на поверхню, яка формується, що залежить від вхідних технологічних параметрів процесу обробки і властивостей оброблюваного матеріалу; при цьому визначені шляхи керування дефектністю виробів у процесі їх обробки.

2. Вперше розроблена математична модель розвитку дефектності виробів під час їх абразивної обробки, яка враховує характеристики міцності оброблюваного матеріалу (ОМ), основні експлуатаційно-технологічні параметри інструменту, насамперед його зернистість, і технологічну спадковість.

Розроблені комп'ютерно-математичні моделі визначення деформаційної картини зони різання, що вперше враховують умови шліфування (схеми шліфування, режим обробки, технологічні характеристики інструменту і ступінь його зносу, властивості застосованих технологічних середовищ), і дозволяють прогнозувати глибину проникнення дефектного шару під час механічної обробки виробів.

4. Теоретично на базі розроблених математичних моделей розвитку дефектності обґрунтовані шляхи і способи керування глибиною проникнення і структурою дефектного шару, що утворюється на операціях абразивної обробки виробів із технічних стекол і ситалів, за рахунок використання поверхнево-активних технологічних середовищ із заданими властивостями, які змінюють фізико-механічні характеристики ОМ і полегшують процеси його диспергування під час різання.

5. Розроблений метод розрахунку раціональних міжопераційних припусків, який додатково враховує механізм трансформації дефектного шару під час багатоетапної обробки виробів із технічних стекол і ситалів і дозволяє обумовити мінімальну вартість їх обробки.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблена експериментальна методика автоматизованого розрахунку параметрів дефектності порушеного обробкою шару, що дозволяє достовірно оцінити ступінь впливу на його розвиток технологічних параметрів процесу обробки. 2. Розроблена методика розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) оброблюваного матеріалу в зоні різання, що дозволяє оцінити імовірність руйнування матеріалу при його контакті з інструментом з урахуванням варіації рівня вхідних технологічних параметрів процесу обробки. Методика використовується при комп'ютерному моделюванні раціональних технологічних процесів обробки виробів із технічних стекол і ситалів і забезпечує мінімальну технологічну собівартість обробки.

3. Розроблені рекомендації щодо використання комплексу технологічних середовищ, які знижують енергоємкість процесів диспергування припуску на всіх стадіях обробки виробів із технічних стекол і ситалів і забезпечують формування потрібних якісних показників їх поверхневого шару.

4. Сформована база даних щодо зміни характеристик дефектності поверхні виробів із технічних стекол і ситалів під час варіації умов механічної обробки, яка використовується для проектування раціональних ТП їх обробки. На основі комплексу досліджень розроблені рекомендації щодо організації ефективних ТП обробки виробів із технічних стекол і ситалів.

5. Результати досліджень використовувались під час впровадження на підприємствах машинобудування і склообробки ТП механічної обробки спеціальних виробів із технічних стекол і ситалів, світлотехнічних виробів із технічного скла. Впровадження результатів роботи на ВО “Автоскло” забезпечило одержання реального економічного ефекту 75 тис. крб. на річну програму випуску виробів (у цінах 1991 р.). Розрахунковий економічний ефект від впровадження рекомендацій щодо організації ТП обробки виробів із ситалів на дослідному підприємстві НДІ “Ізотерм”, м. Брянськ, Росія склав 2500 крб. на один виріб (у цінах 2001 р.). Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно. Автор виконав наукові розробки в галузі технології машинобудування, які пов'язані з вирішенням важливої науково-прикладної проблеми - підвищення ефективності (зниження собівартості) механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів при забезпеченні їх високої якості. Постановка задач і обговорення наукових результатів виконані разом із науковим консультантом і частково із співавторами публікацій. Достовірність наукових результатів підтверджується великим обсягом експериментальних досліджень, які виконані з використанням сучасних методик, обладнання та апаратури.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи повідомлені та обговорені на таких конференціях і семінарах: Всесоюзних науково-технічних конференціях (НТК) “Конструкція і технологія одержання виробів із неметалевих матеріалів” (Обнінськ, НВО “Технологія”, 1984, 1988, 1990); Всесоюзній НТК “Інтенсифікація технологічних процесів механічної обробки” (Ленінград, ЛПІ, 1986); зональній НТК “Проблеми проектування і діагностики в автоматизованих виробництвах машинобудування” (Ярославль, 1986); Всесоюзному науково-технічному семінарі (НТС) “Проблеми міцності скла і склокристалічних матеріалів” (Костянтинівка, НДІ Автоскло, 1991); НТК “Ресурсо- та енергозберігаючі технології у машинобудуванні” (Одеса, ОДПУ, 1994); НТК “Нові технології та системи обробки в машинобудуванні” (Донецьк, ДонДТУ, 1994); Міжнародній НТК “Прогресивна техніка і технології машинобудування” (Севастополь, ДонДТУ, 1994, 1995); НТК “Надійність різального інструменту і оптимізація технологічних систем” (Краматорськ, ДДМА, 1995); Міжнародній НТК “Енерго- та ресурсозберігаючі технології у виробництві скла” (Костянтинівка, УкрДІС, 1995); Міжнародному НТС “Високі технології в машинобудуванні” (Харків, ХДТУ, 1995-2000); Міжнародній НТК “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” (Луганськ, ВДУ, 1996); Міжнародній НТК “Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес” (Севастополь, ДонДТУ, 1996, 1997); Міжнародній НТК “Машинобудування і техносфера на рубежі ХХI сторіччя” (Севастополь, ДонДТУ, 1998-2001); Міжнародній НТК “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування та зварювального виробництва” (Київ, НТУ “КПІ”, 1998); Міжнародній НТК “Проблеми підвищення якості машин” (Брянськ, БДТУ, 1998, 2001); Міжнародній НТК “Tehnologii Moderrne Calitate Restructurate” (Chisinau, Moldove, 1999); Міжнародному конгресі “Second International Congress Mechanical Engineering Technologies'99” (Sofia, Bulgaria, 1999); Міжнародній НТК “Modern Technologies, Quality, Restructuring” (Jassy, Rumania, 2000), Міжнародній НТК “Надтверді інструментальні матеріали на рубіжі тисячоліть: одержання, властивості, використання” (Київ, ІНТМ НАНУ, 2001).

Дисертація докладалась і отримала позитивну оцінку на розширеному засіданні науково-технічного семінару відділу технологічного керування якістю обробки поверхонь Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, 2001 р., на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” Донецького національного технічного університету, 2001 р. і на кафедрі “Технологія машинобудування” Національного технічного університету “ХПІ”, 2001 р. Публікації. Основні положення дисертації відображені в 58 наукових працях, серед яких 27 наукових статей у спеціальних виданнях, розділ в енциклопедії з машинобудування, 3 авторських свідоцтва на винахід, 9 статей за матеріалами конференцій, 18 тез доповідей на конференціях. Структура і обсяг роботи. Дисертація у 2-х томах складається із вступу, семи розділів і 15 додатків (окремим томом). Повний обсяг дисертації 515 сторінок, у тому числі 37 ілюстрацій по тексту, 27 ілюстрацій на 27 стор., 26 таблиць по тексту, 5 таблиць на 7 стор., 15 додатків на 74 стор., 268 використаних літературних джерел на 27 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, викладаються положення, які виносяться здобувачем на захист, теоретична та практична цінність одержаних результатів досліджень, рівень реалізації та впровадження наукових розробок.

У першому розділі виконаний детальний аналіз сучасного стану і шляхів удосконалення ТП механічної обробки виробів із матеріалів на основі скла, в тому числі, з технічних стекол і ситалів. Показано, що сучасні дослідження є логічним продовженням робіт таких вчених, як: Альтшулер В.М., Апанасенко В.І., Ардамацький А.Л., Ашкеров Ю.В., Бокін П.Я., Бурман Л.Л., Бурмістров В.В., Ваксер Д.Б., Винокуров В.М., Грабченко А.І., Єрьоміна Л.І., Качалов Н.Н., Маслов В.П., Нікітков Н.В., Попов С.О., Прохорчик С.М., Рогов В.В., Узунян М.Д., Філатов Ю.Д., Хайт О.Д., Хрульков В.А., Цеснек Л.С., Щукін Є.Д., Еда Н. та ін., які зробили внесок у вирішення завдання підвищення якості та ефективності обробки крихких неметалевих матеріалів.

Аналіз літератури показує, що проведені дослідження і видані рекомендації в основному відносяться до обробки виробів із оптичних стекол, ситалів і кристалів, які застосовуються у приладобудуванні, а також художніх стекол і кришталю, тобто до тих матеріалів, що не належать до категорії конструкційних і не експлуатуються в умовах екстремальних силових і температурних навантажень, які потребують підвищених характеристик міцності виробів. На відміну від конструкцій, ці вироби мають невеликі розміри, достатньо прості геометричні форми, що спрощує одержання точних заготовок і знижує величину припуску на механічну обробку. Тому спрямованість більшості досліджень пов'язана з вивченням процесів напівчистового, чистового шліфування, полірування або доводки. Відмітною особливістю процесів абразивної обробки в цих умовах є достатньо прості з точки зору кінематики схеми взаємодії інструменту і деталі, легкі режими різання, використання абразивних порошків або інструментів дрібної зернистості з більш низькими характеристиками міцності ріжучих зерен. Усе це сприяє одержанню сприятливої картини розвитку дефектного шару під час різання.

Розглянуті умови не співпадають із тими, в яких ведеться обробка великогабаритних виробів із технічних стекол і ситалів, які являють собою конструкції складної просторової форми. Одержання високої якості поверхні і точності в цьому випадку вкрай ускладнене через низьку оброблюваність матеріалів і відрізняється значною трудоємкістю, великими непродуктивними витратами енергії та інструменту. Причиною цього є: недостатня повнота знань про механізми руйнування припуску під час різання матеріалів, які розглядаються, у напружених умовах; відсутність наукового системного обґрунтування залежності дефектності поверхневого шару виробів від вхідних технологічних параметрів процесу обробки і властивостей ОМ, які визначають рівень силового впливу на поверхню, що формується; низька ефективність прийнятих способів обробки та організації ТП одержання виробів.

Систематизація та узагальнення результатів проведених досліджень дозволяють зробити висновок, що дефектність поверхні, що формується, а, отже, і трудоємкість обробки виробів із технічних стекол і ситалів, залежать від рівня силового впливу на ОМ при його диспергуванні, тобто від енергоємкості процесу різання. У свою чергу, енергоємкість визначається двома категоріями факторів: фізико-механічними властивостями ОМ (міцністю, твердістю, крихкістю, вхідною дефектністю, видом та особливостями попередньої обробки); технологічними параметрами процесу обробки (схемою і режимом різання, технологічними та експлуатаційними характеристиками застосовуваного інструменту, властивостями технологічних середовищ), що повинно впливати на параметри дефектності поверхні, яка формується. Однак із цієї точки зору проблема практично не досліджена. Відсутні достовірні відомості про глибину і структуру порушеного обробкою шару і вплив на параметри дефектності технологічних факторів процесів механічної обробки. Найбільше число робіт пов'язане з вивченням впливу зернистості абразиву на глибину дефектного шару без розгляду фізичних явищ, які супроводжують виникнення і розвиток дефектного шару в ОМ. Достовірність відомостей, одержаних про параметри дефектності, залежить від застосованих методів досліджень поверхневого шару матеріалу. Існуючі методики оцінки параметрів порушеного шару не дозволяють достатньо просто, дешево та об'єктивно оцінити розміри, густину і спрямованість дефектів на різних рівнях залягання у відношенні до обробленої поверхні для різноманітних умов обробки.

Практично відсутні дослідження, присвячені розробці теоретичних закономірностей утворення дефектності поверхні, що формується при взаємодії ОМ із абразивним інструментом. Більшість із них носить емпіричний, прикладний характер, що не дозволяє прогнозувати забезпечення необхідних якісних характеристик поверхні, яка формується, при зміні умов шліфування і використати отримані дані для розрахунку міжопераційних припусків. Недосконалі і самі методи розрахунку припусків, які не враховують трансформацію дефектного шару під час обробки. Обмежені відомості про вплив технологічних середовищ різної природи і ступеня активності у відношенні до ОМ на зміну глибини і структури дефектного шару, який виникає при різних видах механічної обробки скломатеріалів. Відсутні методики, які дозволяють достовірно моделювати розвиток дефектного шару, орієнтуючись на рівень НДС зони різання, який залежить від технологічних факторів процесів механічної обробки виробів, що могло б служити основою для проектування раціональних ТП їх обробки.

Таким чином, досить актуальним є проведення комплексних наукових досліджень, які б дозволили розробити технологічні основи підвищення ефективності обробки і забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів за рахунок вибору раціональних умов обробки, що забезпечують мінімальний рівень силового впливу на поверхню, що формується, з урахуванням технологічної спадковості.

У другому розділі викладена загальна методологія роботи, яка базується на тому, що технологія виготовлення виробів типу конструкцій із технічних стекол і ситалів може бути віднесена до складних ієрархічних систем.

На рис. 1 подана система технологічних перетворень під час виготовлення виробів від стадії одержання заготовки , її механічної обробки , і до операції зміцнення виробу . Систему технологічних перетворень можна уявити у вигляді

= = , (1)

дефектний технічний скло шліфування

де , , - елементи множини відповідно: матеріальних (заготовки, інструменти, пристрої і т.ін.), энергетичних та інформаційних потоків, що використовуються під час кожного з технологічних перетворень.

Вирішення завдання підвищення ефективності технологічних перетворень передбачає комплексне управління системою на всіх етапах їх реалізації за рахунок використання критерію, в якості якого прийнятий рівень технологічної собівартості виробу . Найбільш відповідальними і трудоємкими, що максимально впливають на зміну , є етапи механічної обробки, які в сукупності наведені як комплекс технологічних дій . Вони включають виконання ряду операцій, у тому числі попереднього та остаточного формоутворень шліфуванням, а також фінішної обробки (алмазної притирки або полірування). Застосування фінішних операцій не гарантує забезпечення відсутності дефектного шару, зумовленого обробкою, у поверхневому шарі виробу. Тому весь дефектний шар глибиною повинен бути усунений на заключній стадії технологічних дій шляхом реалізації дорогих та екологічно шкідливих операцій хімічного травлення та іонного зміцнення виробів, трудоємкість яких визначається глибиною і структурою дефектного шару.

Технологічна собівартість одержання готової деталі складається із собівартості заготовки , механічної обробки , зміцнення виробу

. (2)

Вважаємо, що для всіх варіантів виробництва є постійною.

Експерименти проводилися у напрямках: визначення якості обробленої поверхні з параметрів шорсткості і дефектності порушеного обробкою шару; встановлення впливу вхідних параметрів ТП обробки на силові характеристики процесу різання, мікрогеометрію і дефектність поверхні, що формується; вибору раціональних технологічних середовищ (ТС) з оцінкою їх фізико-хімічних і технологічних властивостей.

Для експериментальної перевірки теоретичних передумов та оцінки ступеня впливу технологічних параметрів процесу обробки на дефектність поверхні, що формується, розроблена оригінальна методика автоматизованої оцінки і розрахунків параметрів дефектності порушеного обробкою шару, яка базується на методі капілярної люмінесцентної дефектоскопії у поєднанні з пошаровим хімічним травленням зразків. Апаратно-програмний комплекс дозволяє на мікрофотографіях дефектної поверхні оброблюваних зразків автоматично виділити області дефектів і розрахувати їх усереднені та інтегральні характеристики, встановити математичні залежності параметрів дефектності від змінюваних технологічних характеристик процесу обробки. Методика, що пропонується, дозволяє отримати дійсну картину порушеного шару на різних рівнях заглиблення, виявляючи дефекти довжиною від 0,1 мм до 1 мкм.

У третьому розділі розглянуті питання розробки математичної моделі формування дефектного шару під час взаємодії ОМ з абразивним інструментом, яка необхідна для вирішення завдання, пов'язаного з пошуком раціональних параметрів ТП механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів, які забезпечують мінімальний рівень дефектності.

Імовірність утворення дефекту (тріщини) в конкретній зоні передруйнування оброблюваної поверхні, причиною якого може служити вже існуючий дефект, визначається імовірністю події, при якій напруження , що виникає під час різання, буде не меншим від границі міцності ОМ -

=.(4)

Тоді число дефектів на одиниці обробленої поверхні визначиться як

=,(5)

де - число одиничних дефектів (зон передруйнування).

Для визначення імовірності утворення тріщини необхідно знати закони розподілу напружень в ОМ у його вихідному стані і під час різання. Закон розподілу граничного (руйнуючого) напруження визначається експериментально і характеризується функцією розподілу і щільністю імовірності . Закон (функція) розподілу напружень в ОМ від зусиль різання (під дією інструменту) і щільність розподілу імовірностей цих напружень повинні бути знайдені аналітично.

Імовірність дефектоутворення може бути знайдена завдяки використанню наближеного способу розрахунку Н. С. Стрелецького як площа фігури, утвореної перетинанням кривих, що описують диференціальні функції розподілу і .

.(10)

Для визначення величини розв'язувалось рівняння

= .(11)

Знаючи і використовуючи рівняння (5), можна визначити число дефектів на одиниці обробленої поверхні, тобто з'ясувати ступінь впливу умов шліфування на дефектність.

Для конкретних умов алмазного шліфування ситалів досліджена імовірність розвитку дефектності обробленої поверхні залежно від характеристик різального інструменту: геометричних, міцнісних і розмірних параметрів алмазних зерен; концентрації кругів; виду зв'язки, а також від фізико - механічних характеристик ОМ - первинних, а також зумовлених станом поверхні зразків, які випробовуються (наявністю або відсутністю попередньої обробки), ступенем активності технологічного середовища, що застосовується під час шліфування. Аналіз результатів розрахунків дозволив зробити висновок, що практично повсюдно простежується залежність інтенсивності дефектоутворення від рівня НДС ОМ під час різання, який приблизно може бути оцінений величиною питомого навантаження на окремі зерна круга при шліфуванні. З характеристик алмазного інструменту, що досліджувалися, найбільш впливає на процес дефектоутворення його зернистість.

Зменшення зернистості супроводжується зниженням питомого навантаження на зерно і меншою імовірністю розвитку дефектного шару. Отже, застосування крупнозернистого інструменту при обробці крихких матеріалів доцільно на операціях чорнового шліфування за умови, що створений розвинутий дефектний шар буде усунений на наступних напівчистових і чистових операціях, що виконуються кругами більш дрібної зернистості.

На рис. 4 наведені дані про зміну імовірності дефектоутворення залежно від заглиблення зерен круга в ОМ при різному стані поверхні зразків, зумовленому видом попередньої обробки - технологічною спадковістю.

Знеміцнення поверхневого шару ОМ попередньою обробкою (попереднє шліфування кругами зернистості 160/125 і 250/200) відповідно в 1,3 і 1,9 рази за рівнем забезпечує зниження імовірності розвитку дефектного шару (див. рис. 4, криві 2, 3) порівняно з варіантом обробки похідного матеріалу (див рис. 4, крива 1). З метою підвищення ефективності процесу шліфування можна рекомендувати таку послідовність обробки: застосування крупнозернистого інструменту на операціях чорнової обробки, вилучення основного припуску та попередня підготовка поверхні до наступних чистових операцій; послідовне зменшення зернистості інструменту в міру наближення до остаточної стадії обробки.

Відповідно до розробленої математичної моделі формування дефектності під час шліфування виконаний теоретичний розрахунок числа дефектів на одиниці обробленої поверхні ситалів в умовах вільного різання. Встановлена адекватність запропонованої теоретичної моделі дефектоутворення реальним умовам з урахуванням допущень, прийнятих при моделюванні. Запропонований метод розрахунку дефектності може бути використаний на практиці для визначення раціональних умов процесу шліфування крихких неметалевих матеріалів.

У четвертому розділі наведені результати розробки методики прогнозування інтенсивності розвитку дефектного шару під час шліфування матеріалів на основі скла, яка базується на дослідженні комп'ютерно-математичних моделей НДС зони різання. Виконаними теоретичними та експериментальними дослідженнями підтверджена залежність інтенсивності розвитку дефектного шару при обробці скломатеріалів від рівня НДС зони різання. З метою підвищення ефективності проектування раціональних ТП механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів створено засіб моделювання НДС, що враховує комплексну залежність між вхідними параметрами процесу шліфування, рівнем силової дії на оброблювану поверхню і, як наслідок, дозволяє прогнозувати інтенсивність розвитку дефектності поверхневого шару виробів.

Розроблені комп'ютерно-математичні моделі НДС виробів - зразків під час їх шліфування, які засновуються на методах кінцевих елементів (МКЕ) і граничних елементів (МГЕ). При розробці моделей використані положення імовірностной механіки зруйнування, а також враховані фактори процесу шліфування, що зумовлюють зміну рівня силового впливу на ОМ. Виконані дослідження і визначені відносні оцінки НДС зони різання в умовах моделювання процесу шліфування на його різних стадіях - від вивчення руйнування ОМ одиничним зерном-індентором (плоска задача) до дослідження цього процесу при взаємодії тривимірного зразка з абразивним інструментом під час реалізації конкретних схем обробки.

При моделюванні МКЕ зони контакту одиничного зерна з ОМ встановлено, що зміна напрямку дії результуючої сили різання при однакових її значеннях відбивається на глибині, розмірах і конфігурації зон руйнування, викликаних різними видами напружень, а також на характері поведінки початкових дефектів структури матеріалу. Так, у випадку дії лише нормальної складової сили різання глибина проникнення тріщин, обумовлених дією критичних стискаючих напружень, у 1,25 разів вища, ніж для варіанта із співвідношенням сил =6,0. Обидві зони руйнування розміщені симетрично у відношенні до діючого навантаження (див. рис. 5, а). Елементи, в яких відбувається зруйнування під час різання, на рисунках заштриховані.

Розвиток дефектів структури ситалу відбувається здебільшого за рахунок напружень зсуву (дефекти типу 1), розкриття тріщин практично відсутнє. Введення тангенціальної складової сили різання (див. рис. 5, б) призводить до перерозподілу напружень в елементах поблизу від місця прикладання навантаження: відбувається розворот і втрата симетричності зони кільцевої тріщини - збільшення її довжини в сторону дії . При цій схемі різання збільшується частка дефектів, які розкриваються під дією деформації розтягу (дефекти типу 2), що знижує енерговитрати на процес різання, зменшуючи глибину проникнення дефектного шару.

Моделювання НДС зони різання при реалізації різних схем шліфування здійснювалося в два етапи. Перший етап пов'язаний із розв'язанням задачі теорії пружності для ізотропного, бездефектного тривимірного зразка з метою приблизної оцінки напружень, які виникають в ньому. Вплив початкової дефектності матеріалу зразка на одержаний розв'язок враховується за допомогою його фізико-механічних характеристик. Розв'язування задачі здійснювалося МКЕ із застосуванням ітераційного методу підконструкцій із трирівневою послідовністю сіток.

На другому етапі розв'язувалась імовірнісна задача механіки руйнування для визначення ризику зруйнування або імовірності зруйнування різних зон зразка, зосереджених поблизу області контакту його з ріжучим інструментом. За зміною рівня ризику зруйнування у приповерхневому шарі зразка під час різання можна судити про імовірність порушення суцільності ОМ і розвитку дефектного шару.

Оцінка напруженого стану зразків здійснювалася за допомогою теорії міцності Мора за значеннями еквівалентних напружень . На рис. 7 подані графіки зміни залежно від глибини залягання (відносно координати ), які свідчать про суттєвий вплив способу прикладання навантаження, тобто схеми шліфування. Найбільш несприятливою з точки зору розподілу напружень в об'ємі зразка є схема “а”. Враховуючи, що рівень напруженого стану ОМ визначає глибину проникнення дефектного шару , можна вивести, що значення буде збільшуватися в міру розвороту результуючої сили різання від нормалі відносно поверхні припуску до нормалі відносно оброблюваної поверхні (перехід від схеми “в” до схеми “а”). Причому ця тенденція буде посилюватися із зростанням зусиль різання, що фізично може залежати, наприклад, від інтенсивності режимів обробки, ступеня зносу інструменту.

Як показали результати моделювання різних схем плоского шліфування, спосіб прикладання навантаження, його напрям суттєво впливають на енергоємкість процесу диспергування припуску. Встановлено, що найбільш раціональними з точки зору зменшення розвинутості дефектного шару і підвищення за рахунок цього експлуатаційних характеристик виробу є умови шліфування, які забезпечують розворот результуючої сили різання у припуск, що видаляється, і зменшення рівня сили.

Запропоновані способи моделювання НДС зони шліфування і, як наслідок, прогнозування інтенсивності розвитку дефектного шару при різанні були апробувані для умов експлуатації різних схем внутрішнього шліфування тонкостінних великогабаритних виробів складної просторової форми з ситалів - раніш розробленої раціональної схеми шліфування і схеми, яка традиційно застосовувалась на виробництві. Було встановлено, що розроблена схема шліфування, яка відрізняється максимальною спрямованістю сили різання у матеріал припуску, який видаляється, порівняно із схемою, що застосовувалася на виробництві, дозволила в 1,3 - 1,4 разу знизити рівень НДС зони обробки. За рахунок зменшення силового впливу на поверхню, що формується, пропорційно (в середньому в 1,35 разу за довжиною виробу) зменшилася глибина проникнення дефектного шару. Останнє підтверджує відповідність розрахункової моделі реальним умовам. Сформований дефектний шар відрізняють такі характеристики: на 25% знижуються розміри дефектів у поверхневому шарі виробу у сукупності з підвищенням в 1,9 разу однорідності структури дефектності за довжиною деталі. Наслідком цього стало збільшення середньої міцності виробу на 20%.

Таким чином, можна зробити висновок, що використання розробленого способу комп'ютерного моделювання напружено-деформованого стану зони різання допоможе знизити витрати на процес проектування раціональних технологічних процесів обробки виробів із матеріалів на основі скла, в тому числі за рахунок обгрунтування вибору схеми шліфування.

У п'ятому розділі розглядаються питання комплексного підвищення ефективності механічної обробки матеріалів на основі скла за рахунок застосування поверхнево-активних середовищ направленої дії, які змінюють характеристики міцності оброблюваного матеріалу і зменшують енергетичні витрати на його диспергування.

Для технічних стекол і ситалів, речовин крихких, сила різання на відміну від обробки пластичних матеріалів визначається опором матеріалу сколюванню (крихкому зсуву) у площині максимальних напружень зсуву. Сила, що здійснює зсув матеріалу під час різання, визначає рівень як тангенціальної, так і нормальної складових сили різання, впливаючи як на енергоємкість процесу різання (відповідальна ), так і на силовий вплив на оброблювану поверхню, який призводить до розвитку дефектного шару (відповідальна ).

При інших рівних умовах ці параметри залежать від значення питомої поверхневої енергії твердого тіла або від величини його вільної поверхневої енергії при утворенні нових поверхонь. Введення в зону диспергування твердих тіл поверхнево-активних технологічних середовищ супроводжується зниженням їх вільної поверхневої енергії за рахунок адсорбційних взаємодій атомів середовища і тіла, що деформується, які відбуваються на поверхні, що формується, тобто, до відповідної зміни його міцнісних властивостей. Для крихких матеріалів це насамперед призводить до пропорційного зменшення мікротвердості стекол і ситалів. Описані явища пов'язані з проявом адсорбційного ефекту зниження міцності твердих тіл.

Розроблені комп'ютерно-математичні моделі дефектності поверхні, що формується, дозволяють досліджувати вплив ТС різного ступеня активності на енергоємкість процесів диспергування ОМ під час різання і прогнозувати розвиток дефектного шару. Це дасть можливість на етапі попереднього проектування ТП виробництва виробів із технічних стекол і ситалів формулювати вимоги до властивостей ТС, що використовуються на різних операціях обробки.

Враховуючи результати теоретичних досліджень, запропоновані ТС для операцій лезової обробки (а. с. № 1331053), шліфування та полірування технічних стекол і кришталю (а.с. № 1654319), алмазного шліфування технічних ситалів. Середовища являють собою водні розчини синтетичних миючих засобів, які є активними ПАВ, що забезпечує їх підвищений вплив на матеріал припуску, знижує енергоємкість процесу різання, покращує якість обробки. Названі середовища відрізняє простота виготовлення, гігієнічність, низька вартість.

Запропоновані ТС порівняно з кращими складами, які рекомендуються в літературі (наприклад, емульсоли ЕМУС, НГЛ-205 та ін.) дозволяють на операціях попереднього формоутворення виробів із технічних стекол і ситалів (точіння, чорнове шліфування) знизити енергоємкість процесу різання до 40%, сприятливо змінивши глибину і структуру дефектного шару, який виникає в результаті обробки. Загальна глибина проникнення дефектів (обробка стекол і кришталю) зменшується практично вдвічі при зниженні середніх розмірів одиничних дефектів в 1,6 - 2,2 разу; під час обробки технічних ситалів зниження розмірів дефектів досягає 4 - 10 разів (рис. 8).

Знеміцнюючи ОМ, поверхнево-активні ТС поліпшують умови роботи для абразивного інструменту, зменшуючи його знос. Застосування під час шліфування рекомендованої СОЖ П2 у порівнянні з використанням води дозволяє скоротити число правок та об'ємний знос кругів до 1,5 разу.

Розроблений спосіб приготування полірувальної суспензії, якій притаманні підвищені технологічні та експлуатаційні властивості, дозволяє в 1,15 - 1,25 разу підвищити її поліруючу спроможність у порівнянні з кращим із використованих раніше варіантів. Це дозволило у виробничих умовах скоротити час полірування великогабаритних світлотехнічних виробів складної форми з технічного скла на 30%, що, залежно від розмірів виробу, складає від 3 до 36 годин.

У шостому розділі наведені результати експериментів, які підтверджують достовірність розроблених математичних моделей розвитку дефектності.

Виконані експериментальні дослідження підтвердили основне теоретичне положення роботи про першорядний вплив на структуру і глибину дефектного шару зусиль різання і рівня напружено-деформованого стану ОМ, які, в свою чергу, залежать від вхідних технологічних параметрів процесу обробки.

Результати експериментів, проведених при реалізації пружної схеми торцевого врізного шліфування стекол і ситалів, свідчать про правомірність висновків, зроблених на основі використання розробленої математичної моделі формування дефектності. А саме, технологічні фактори, що підвищують енергоємкість процесів диспергування ОМ у зоні різання, ініціюють несприятливий розвиток дефектного шару.

До таких факторів можна віднести підвищення номінального тиску в зоні різання; збільшення зернистості алмазних кругів; низький рівень ріжучої спроможності інструменту. Так, при обробці ситалу збільшення номінального тиску на зразок у чотири рази супроводжується зростанням розмірів одиничних дефектів у 2,5 разу. Використання кругов зернистості 250/200 у порівнянні з кругами зернистості 100/80 призводить до збільшення розмірів дефектів в 2,4 разу та глибини дефектного шару в 1,6 разу. Застосування розробленого способу правки кругів вільним абразивом (а. с. № 1839393), що забезпечує збільшення розвинутості мікропрофілю інструменту в 1,5 раза у порівнянні з правкою абразивними брусками, дозволяє через більш сприятливий перерозподіл тиску на ріжучих зернах інструменту зменшити глибину проникнення дефектного шару в 1,5 разу.

Експериментально підтверджений вплив параметрів режиму шліфування на силові характеристики процесу обробки - в першу чергу на нормальну складову зусилля різання, і, як наслідок, на структуру дефектного шару та ступінь його розвитку. Аналіз одержаних залежностей сил різання від кінематичних параметрів режиму показує, що найбільший вплив на зміну величини сил виявляють подовжня подача та глибина різання, найменший - швидкість різання. При цьому співвідношення між нормальною і тангенціальною складовими зусиль різання знаходиться в діапазоні . Поза залежністю від схеми обробки збільшення подачі та глибини різання негативно відбивається на дефектності поверхні, що формується. Так, при зміні подачі від =14, 5 мм/хв до =27, 0 мм/хв (схема круглого внутрішнього шліфування) на рівні травлення =100 - 140 мкм розмір дефектів, внесених обробкою, збільшується в 3,5 раза і досягає 300 мкм і більше. Наслідком підвищеної дефектності поверхневого шару виробу є зниження його характеристик міцності. Зміна подачі від =4,0 мм/хв до =27,0 мм/хв призводить до дворазового зниження міцності виробів на згин.

Експериментально встановлена залежність зміни складових сили шліфування від ступеня затупленості круга, яка враховує параметри режиму шліфування. Затуплення інструменту супроводжується значним зростанням сил різання (особливо радіальної складової - в 2 - 4 рази) у порівнянні з роботою гострим кругом.

Технологічні характеристики застосованих алмазів (зернистість, конфігурація, міцність) впливають на ступінь зносу кругів, що призводить до змін величини сил різання та дефектності поверхні, що формується. Встановлено, що застосування кругів більш дрібної зернистості (100/80 проти 250/200) забезпечує зменшення розмірів внесених дефектів практично на всіх рівнях травлення, знижуючи глибину проникнення дефектного шару вдвічі. Застосування алмазно-абразивного інструменту з більш міцними алмазними зернами (АС 20 у порівнянні з АС 6) призводить під час обробки ситалів до значного підвищення дефектності обробленої поверхні.

Враховуючи технологічну спадковість робочої дії інструменту і маючи одержані експериментально-теоретичним шляхом відомості про глибину та структуру порушеного обробкою шару, можливе проектування раціональних ТП, характерною рисою яких будуть обґрунтовані міжопераційні припуски на обробку, що дозволить, у цілому, знизити собівартість одержання виробів.

У сьомому розділі розглянуті питання розробки ефективних ТП обробки виробів із технічних стекол і ситалів. Для цього розв'язувалася задача розрахунку раціональних міжопераційних припусків, виходячи з умов мінімізації вартості обробки виробів, що залежить в значній мірі від зміни глибини і структури порушеного обробкою шару на різних етапах їх виробництва.

Враховуючи особливості фізико-механічних характеристик ОМ у поєднанні зі способами одержання заготовок із них, встановлено, що в поверхневому шарі заготовки практично буде відсутній зруйнований шар (). Це дозволило при розрахунку міжопераційних припусків умовно вважати, що 0. Тоді знаходження значень міжопераційних припусків зводиться до вирішення завдання раціонального перерозподілу сумарного припуску на обробку, що визначається як різниця розмірів заготовки та готової деталі, між операціями механічної обробки та зміцнення виробу.

Існуюча методика розрахунку раціональних значень міжопераційних припусків, що створювалась здебільшого для обробки металів, уточнена за рахунок наступних положень. При обробці матеріалів на основі скла на проміжній стадії формоутворення відсутня необхідність повного вилучення порушеного шару, що залишився в ОМ після попередньої обробки, тому що при певній глибині шліфування розміри дефектів, які вносяться працюючим інструментом в оброблювану поверхню, стають сумірними, а при подальшому заглибленні і більш великими, ніж ті, що залишені на цьому рівні в результаті виконання попередньої операції. Тому величину припуску , пов'язану з глибиною дефектного шару, який залишився в матеріалі після попередньої обробки і знімається на даному переході, доцільно призначати, виходячи з рівності розмірів дефекту, що вноситься і вже внесеного в матеріал на попередній операції. Це дозволить істотно зменшити величину припусків на заключних стадіях обробки, скоротити час і зменшити технологічну собівартість операцій обробки виробів. На рис. 9 подана запропонована схема розрахунку припусків, де: і - поверхні заготовки та виробу, що остаточно сформувався; - пошкоджений шар, що залишився після чорнового шліфування; , - пошкоджені шари, що залишилися відповідно після чистового шліфування та доводки, з накладанням дефектів від попередніх операцій обробки; - припуск, що знімається при чорновому шліфуванні; , , - припуски, що знімаються відповідно при чистовому шліфуванні, доводці, хімічному травленні і включають порушені шари, що залишилися після попередніх операцій обробки.

Встановлена послідовність прийняття технічних рішень на якісному та кількісному рівнях, що базується на результатах виконаних теоретико-експериментальних досліджень: математичного та комп'ютерного моделювання НДС зони обробки; імовірності розвитку дефектного шару, - залежно від сполучення вхідних параметрів ТП.

Сформована база даних про зміну рівня дефектності технічних стекол і ситалів при варіації умов обробки. Складені номограми для визначення параметрів дефектного шару. Користування ними дозволяє призначати раціональні режими обробки та розраховувати значення міжопераційних припусків, виходячи з відомостей про трансформацію параметрів дефектності від операції до операції.

Видані рекомендації щодо організації ефективних ТП обробки виробів із технічних стекол і ситалів, основними положеннями яких є: вибір схеми обробки, виходячи з критерію мінімального силового впливу на оброблювану поверхню; багатостадійність процесу механічної обробки з тенденцією зменшення НДС в зоні різання та інтенсивності процесу диспергування ОМ на заключних операціях за рахунок призначення певних режимів, вибору ТС, характеристик ріжучого інструменту, способів підтримання його ріжучої здатності з метою забезпечення підвищеної якості поверхні, що формується, перед операцією зміцнення.

Впровадження рекомендацій на ВАТ НДІ “Ізотерм”, м. Брянськ при обробці виробів типу пластин із технічних ситалів дозволило скоротити тривалість їх механічної обробки на 20 - 25%, в 1,5 разу зменшити глибину дефектного шару, що підлягає вилученню на операції хімічного травлення, знизивши за рахунок цього технологічну собівартість одержання виробів на 25%. Розрахунковий економічний ефект від впровадження даних рекомендацій на підприємстві склав 2500 крб. на один виріб (у цінах 2001 р.).

На підставі виконаних досліджень розроблені нові ТП обробки виробів із технічних стекол і ситалів, впровадження яких на підприємствах УкрДІС, ВО “Автоскло”, м. Костянтинівки та інших дозволило зменшити трудоємкість обробки на 20 - 30% при підвищенні виходу придатної продукції на 15%, скоротити витрати алмазного інструменту на 20 - 30%, що забезпечило зниження технологічної собівартості виробництва виробів на 25% при високій якості продукції. Так, економічна ефективність від впровадження розробленого ТП обробки великогабаритних тонкостінних виробів складної просторової форми з технічних ситалів склала 75 тис. крб. на річну програму (в цінах 1991 р.).

ВИСНОВКИ

У дисертації надане теоретичне узагальнення і вирішення актуальної і великої науково-технічної проблеми, що полягає в комплексному технологічному керуванні дефектністю поверхні, що формується при різанні, встановленні зв'язків і залежностей, розробці математичних моделей розвитку дефектності при варіації умов обробки та з урахуванням технологічної спадковості, які використовувалися для створення технологічних основ ефективної обробки і забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів, що має важливе народногосподарське значення.

Загальний підхід до вирішення сформульованих завдань здійснений на основі використання уявлень про технологію виготовлення великогабаритних виробів із технічних стекол і ситалів як про складну ієрархічну систему, яку характеризує сукупність технологічних перетворень від стадії одержання заготовки, її механічної обробки та до операції зміцнення виробу. У ролі критерію, що використовується для оцінки ефективності технологічних перетворень, прийнята технологічна собівартість виробу.