Наукові основи технологічного забезпечення експлуатаційних характеристик виробів із технічної кераміки при алмазному шліфуванні

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Державний вищий навчальний заклад

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Наукові основи технологічного забезпечення експлуатаційних характеристик виробів із технічної кераміки при алмазному шліфуванні

Гусєв Володимир Владиленович

Донецьк-2006

Дисертацією є рукопис. Роботу виконано на кафедрі “ Металорізальні верстати та інструменти” в Державному вищому навчальному закладі „Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти та науки України.

Науковий консультант :

доктор технічних наук , професор

Новосьолов Юрій Костянтинович ,

Севастопольський національний технічний університет,

завідувач кафедри “ Технологія машинобудування”.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук , професор

Петраков Юрій Володимирович ,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” , м. Київ,

завідувач кафедри “ Технологія машинобудування”;

- доктор технічних наук , профессор Сизий Юрій Анатолійович ,

Національний технічний університет “Харківський

політехнічний інститут”, професор кафедри “Технологія

машинобудування і металорізальні верстати”, м. Харків;

- доктор технічних наук ,старший науковий співробітник

Філатов Юрій Данилович ,

Інститут надтвердих матеріалів НАН України, м.Київ ,

завідувач лабораторії “Технологія обробки виробів із каменю”.

Провідна організація :

Харківський науково-дослідний інститут технології

машинобудування Міністерства промислової політики

України, науково-технічний відділ, м. Харків

Захист відбудеться “_09_”__листопада_2006р. о_1400_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.04 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000,м.Донецьк, вул. Артема, 58, 6-ий навчальний корпус, ауд. 6202.

Із дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: м. Донецьк-00, вул. Артема, 58, 2-ий навчальний корпус.

Автореферат розіслано “_05_”_жовтня_ 2006р.

Учений секретар спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент Т.Г.Івченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Розвиток науки і техніки ставить завдання широкого застосування в конструкціях виробів електромашинобудування, приладобудування, ядерної енергетики, ракетобудування, літакобудування, космічної техніки та, останнім часом, загального машинобудування нових матеріалів, до яких висуваються підвищені вимоги щодо жаростійкості, зносостійкості, корозійної стійкості, стійкості до дії хімікатів. Одним із матеріалів, що відповідає переліченим вимогам, є технічна кераміка (ТК), у разі застосування якої зменшується собівартість виробів одночасно із зростанням терміну служби та надійності. Дослідження керамічних матеріалів у світі стають дедалі інтенсивнішими, зростають капіталовкладення в їх розробку, розширюються сфери застосування цих матеріалів. Кожні п'ять років виробництво керамічних виробів подвоюється.

Проте результативність наукових досліджень і прикладних розробок щодо використання керамік останнім часом помітно стримується через відсутність ефективних технологій їх обробки. Проблема забезпечення заданих експлуатаційних властивостей деталей із кераміки під час їх виготовлення так і залишилася невирішеною. Обійтися без остаточної механічної обробки при виготовленні високоточних деталей із кераміки неможливо. Проте основною перешкодою на цьому шляху є висока міцність і крихкість матеріалу. Незважаючи на значну кількість високоточних способів обробки, таких, як ультразвукова, лазерна тощо, найбільш застосовуваним і продуктивним методом при виготовленні керамічних деталей залишається алмазне шліфування.

У разі використання деталей із ТК основним критерієм їх застосування є міцнісь, яка має відтворюватись у виробах і зберігатися в процесі експлуатації. Проте навіть м'які режими обробки призводять до утворення зміненого (дефектного) поверхневого шару, що зменшує механічну міцність виробів. На мікрорельєф поверхневого шару, поряд із характеристикою алмазних кругів і режимів обробки, впливають фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу (ОМ). Сьогодні відсутні наукові положення формування експлуатаційних властивостей керамічних деталей під час механічної обробки. Тому розроблення наукових основ забезпечення заданих якостей виробів із ТК при алмазному шліфуванні, завдяки чому стає можливим призначення раціональних умов їх обробки, є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у межах наукової тематики кафедри “ Металорізальні верстати та інструменти” Донецького національного технічного університету та базується на держбюджетних наукових темах: № ГР 0195U006593, № ГР 0100U1018, №ГР 0102U001241, виконаних під керівництвом автора, і госпдоговірних темах: № ГР 01880026177, № ГР 80034586 і № ГР 77034322, в яких автор був виконавцем.

Мета роботи та завдання досліджень. Метою роботи є розробка методів забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик деталей із технічної кераміки через формування поверхневого шару виробів при алмазному шліфуванні.

Для реалізації висунутої мети потрібно вирішити такі основні завдання:

1. Установити на основі системного аналізу вплив на експлуатаційні характеристики деталей із технічної кераміки властивостей поверхневого шару та закономірності його формування при алмазному шліфуванні.

2. Описати робочу поверхню шліфувального круга як випадкове поле одиничних формотворних елементів з позиції стереології та векторного поля. Розробити експериментальну методику оцінювання стану робочої поверхні круга за результатами її профілографування.

3. Розробити математичну модель взаємодії випадкового векторного поля різальних елементів із оброблюваною поверхнею на основі положень теорії випадкового поля.

4. Розробити математичну модель формування параметрів мікрорельєфу деталей із кераміки з випадковим характером переміщення алмазних зерен круга в зоні різання із урахуванням ймовірності характеру виривання групи зерен оброблюваного матеріалу.

5. Установити функціональний зв'язок структури оброблювальних дефектів конструкційної кераміки з її фізико-механічними властивостями, силовим фактором при шліфуванні і напрямом обробки, заданого вектором швидкості круга. кераміка алмазний шліфування

6. Провести експериментальні дослідження для оцінювання адекватності розроблених моделей реальним процесам при алмазному шліфуванні кераміки.

7. Розробити нові способи та високопродуктивні технологічні процеси алмазного шліфування кераміки, що забезпечать необхідні якісні характеристики поверхневого шару деталей.

Об'єкт дослідження - технологічний процес алмазного шліфування технічної кераміки.

Предмет дослідження - закономірності формування структури поверхневого шару технічної кераміки при алмазному шліфуванні та її вплив на експлуатаційні характеристики виробів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження здійснювалися на основі наукових положень технології машинобудування, теорії різання матеріалів, системного аналізу, механіки квазикрихкого руйнування матеріалів, деяких положень теорії поля, перевірки статистичних гіпотез.

Експериментальні дослідження проводились із застосуванням фізичного моделювання, планування експериментів, кореляційного та дисперсійного аналізів.

Для перевірки адекватності моделей використано методи моделювання, що базуються на аналітичному та числовому експериментах, а також на експериментальній перевірці результатів моделювання в лабораторних та виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі системного підходу до досліджування взаємозв'язків “життєвого циклу” виробів із технічної кераміки та основних положень технології машинобудування в роботі вперше отримано такі наукові результати:

1. Розроблено і науково обґрунтовано методологію формування показників поверхневого шару деталей з кераміки при алмазному шліфуванні для забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик.

2. На основі наукового положення про те, що процес шліфування може бути поданий як взаємодія випадкових векторних полів шліфувального круга та заготовки, отримано математичні залежності для визначення кількості активних зерен у зоні контакту і розподілення площі перерізу зрізу на них, що дозволяє описати закономірності усунення матеріалу припуску та формування поверхневого шару деталі.

3. Встановлено взаємозв'язки та закономірності формування мікрорельєфу поверхневого шару керамічної заготовки з урахуванням випадкового характеру появи відколів та їх розмірів, властивостей оброблюваного матеріалу, стану робочої поверхні круга. Отримала подальший розвиток математична модель формування мікрорельєфу поверхневого шару керамічних заготовок при алмазному шліфуванні.

4. Проведено кількісне оцінювання зв'язку між складовими сили різання під час алмазного шліфування та індексом крихкості матеріалу, що дозволяє прогнозувати формування структури дефектного шару конструкційної кераміки.

5. Встановлено функціональний зв'язок між структурою (поверхневою щільністю, лінійними розмірами та кутом орієнтації дефектів) дефектного поверхневого шару виробів із технічної кераміки після алмазного шліфування та силовою дією на поверхневий шар, яка визначається властивостями оброблюваного матеріалу, параметрами обробки та станом робочої поверхні інструменту;

6. Досліджено спільний вплив дефектів заготовки й обробки кераміки з урахуванням характеру їх формування при алмазному шліфуванні (зокрема, напрям оброблювальних дефектів, стан робочої поверхні круга) на напруження в поверхневому шарі деталі, що дозволяє обрати схему шліфування та режими різання для забезпечення потрібної можливості безвідмовної роботи виробів за міцністю.

Викладені вище наукові результати є теоретичним підґрунтям для створення технології обробки деталей із ТК. Вони дозволяють у стислий термін і за мінімальних витрат створювати процеси високопродуктивного алмазного шліфування кераміки із забезпеченням потрібних експлуатаційних характеристик поверхневого шару деталей.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Основні положення, результати досліджень, висновки і рекомендації дисертаційної роботи не суперечать фундаментальним положенням технології машинобудування і обробки матеріалів різанням.

Під час виконання роботи застосовувалися сучасні методи вивчення поверхневого шару деталей, зокрема, електронна мікроскопія та люмінісцентна дефектоскопія з хімічним пошаровим травленням зразків, дослідження 3D топографії поверхонь круга і деталей.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджено всебічним статистичним аналізом даних, результатами дослідно-промислової перевірки та впровадженням у виробництво.

Наукове значення роботи полягає в поданні взаємодії шліфувального круга та заготовки як випадкових векторних полів, що дозволяє визначити кількість активних алмазних зерен у зоні контакту та розподіл площі перерізу зрізу на них, а також прогнозувати характер формування структури поверхневого шару деталей. Встановлено закономірності між складовими сили різання при шліфуванні кераміки та індексом крихкості матеріалу, структурою дефектного поверхневого шару деталей із ТК. На основі виявлених взаємозв'язків розроблено технологічні основи обробки деталей із ТК алмазним шліфуванням із забезпеченням необхідних експлуатаційних характеристик готової продукції.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблено нові способи шліфування (А.с. СРСР № 1463403, А.с. СРСР№ 1808498, патент України № 54942 А, деклараційний патент України

№ 65894 А 7), які забезпечують формування завданої структури поверхневого шару кераміки.

2. Створено математичне і програмне забезпечення для моделювання процесів взаємодії робочої поверхні круга та матеріалу припуску, який вилучається під час шліфування, що дозволило розробити рекомендації до вибору схем і режимів обробки виробів із кераміки.

3. Розроблено експериментальну методику оцінювання стану робочої поверхні круга за результатами її профілографування з обробленням результатів за методологією стереологічної реконструкції поверхні.

4. Розроблено методику вибору режимів різання під час алмазного шліфування виробів із ТК при формуванні необхідних експлуатаційних характеристик за міцністю та параметрами мікрорельєфу.

Реалізація результатів роботи. Результати досліджень використано під час упровадження на Костянтинівському казенному науково-виробничому підприємстві “Кварсит”, що забезпечило отримання економічного ефекту у розмірі 65 тис. карб. на річну програму виробів (за цінами 1991 р.). Упровадження рекомендацій до застосування нових схем шліфування та вибору раціональних режимів алмазного шліфування технічної кераміки на дослідному виробництві ВАТ НДІ “ Ізотерм” ( м. Брянськ ) дозволило скоротити тривалість механічної обробки на 25-30 %, забезпечить їх експлуатаційні характеристики при очікуваному річному економічному ефекті в 125 тис. карб. Використання рекомендацій із обґрунтування технічних вимог до деталей і впровадження запропонованого ефективного технологічного процесу виготовлення мінералокерамічних підшипників ковзання і бандажних кілець у Донецькому ТОВ “Кераміка” дозволило зменшити видатки на їх виробництво та експлуатацію на 25 % і збільшити ресурс їх роботи на 95 %. Наукові та практичні результати досліджень використовуються ДонНТУ в навчальному процесі при підготовці спеціалістів і магістрів за фахом 7.090203.

Особистий внесок автора. Наведені в дисертації наукові результати отримано автором самостійно. Автор виконав постановку та формулювання наукової проблеми, мети і завдань роботи; здійснив розробку нового методологічного підходу до забезпечення експлуатаційних показників виробів із технічної кераміки; розробив теоретичні основи процесу алмазного шліфування, вибору схем шліфування. Постановка завдань та обговорювання наукових результатів виконано спільно з науковим консультантом. У дисертаційній роботі наведено ряд експериментальних результатів, виконаних під науковим керівництвом автора. Достовірність наукових результатів підтверджено значним обсягом експериментальних досліджень, виконаних із використанням сучасних методик та обладнання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на конференціях і семінарах, а саме: Всесоюзних науково-технічних конференціях (НТК) “Конструкція та технологія отримання виробів із неметалевих матеріалів” (Обнінськ, НВО “Технологія” 1988, 1990) ; Всесоюзному науково-технічному семінарі (НТС) “Науково-технічний прогрес у виробництві склокристалічних матеріалів” (Костянтинівка, НДІ “Автоскло”, 1987); НТК “Нові технологічні процеси в машинобудуванні” (Одеса, 1993) ; НТК “Нові технології і системи обробки в машинобудуванні” (Донецьк, ДонДТУ, 1994); Міжнародній НТК “Прогресивна техніка та технології машинобудування” (Севастополь, ДонДТУ, 1994, 1995) ; Міжнародній НТК “Проблеми підвищення якості промислової продукції” (Брянськ, 1998, 2001, 2003); Міжнародному науково-практичному семінарі “Практика та перспективи розвитку інституційного партнерства” (Таганрог, 2000, 2004, 2006); Міжнародній НТК “Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес” (Севастополь, ДонДТУ, 1996, 1997); Міжнародній НТК “Прикладні дослідження в технології виробництва скла і склокристалічних матеріалів” (Костянтинівка, 1997); Міжнародній НТК “Машинобудування і техносфера на межі ХХІ століття” (Севастополь, ДонДТУ, 1998-2003); Науково-практичній конференції “Донбас- 2020: Наука і техніка- виробництву” (Донецьк, 2002, 2004, 2006); Міжнародній НТК “Інженерія поверхні та реновація виробів” (Ялта - Київ, 2002); Міжнародній НТК “Надійність інструменту та сучасні технологічні системи” (Краматорськ, 2002); Міжнародній НТК “Важке машинобудування, Процеси металообробки, верстати, інструменти” (Краматорськ, 2003, 2005); Міжнародній НТК “Забезпечення та підвищення якості машин на етапах їх життєвого циклу” (Брянськ, 2005); Міжнародній НТК “Tehnologii Moderrne Calitate Restructucrate” (Chisinau, Moldove,1999); Міжнародній НТК “Modern Technologies, Quality, Restructuring” (Jassy, Rumania, 2000); НТК “Ksztalow materialow niemetalowych” (Zakopane, Polska, 2001).

Дисертація доповідалась у повному обсязі на спеціальному засіданні кафедри “Металорізальні верстати та інструменти” ДонНТУ; міжнародному науково-технічному семінарі “Високі технології: тенденції розвитку” (Алушта, 2003)

Публікації. Основні положення дисертації оприлюднено в 45 працях, серед яких 23 наукові статті в фахових наукових виданнях ВАК України (12 без співавторства); 2 авторські свідоцтва, 2 патенти, 18 праць і тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, шість розділів і додатки. Загальний обсяг дисертації - 442 сторінок, із них 120 рисунків на 81 сторінці, 12 рисунків за текстом, 4 додатки на 50 сторінках, 256 використаних літературних джерел на 27 сторінках.

ОСНОВИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі „Сучасні уявлення на формування експлуатаційних властивостей поверхневого шару виробів із технічної кераміки при алмазному шліфуванні та завдання досліджень” проведено аналіз формування експлуатаційних характеристик виробів із ТК при алмазному шліфуванні, визначено тенденції вирішення важливої науково-технічної проблеми і напрям наукового пошуку, сформульовано мету і завдання дослідження.

Фундаментальні наукові результати теорії алмазного шліфування, формування поверхневого шару виробів із технічної кераміки відбито у працях А.К.Байкалова, Ю.М. Внукова, А.П. Гавриша, А.І. Грабченка, В.Л. Доброскока, І.П. Захаренка, Л.П. Калафатової, В.І. Кальченка, А.В. Корольова, В.І. Лавриненка, Т.Н. Лоладзе, Є.М. Маслова, П.Г. Матюхи, Ю.К. Новосьолова, Н.В. Новикова, Ф.В Новикова, Ю.В. Петракова, С.А. Попова, А.Н. Рєзникова, В.В. Рогова, О.А. Розенберга, Е.В. Рижова, М.Ф. Семка, Ю.А. Сизого, Є.І Суздальцева, А.Г. Суслова, М.Д. Узуняна, А.В. Усова, В.А. Федоровича, Ю.В. Федосєєва, Ю.Д. Філатова, Л.М. Філімонова, А.А. Шепелєва, А.В.Якимова та інших.

Усе більш широко застосування технічної кераміки і ситалів у різних галузях машинобудування та приладобудування висуває як одну з важливих проблем - підвищення конструкційної міцності виробів із цих матеріалів. Однією з основних причин відмови складних систем авіаційної і ракетно-космічної техніки є руйнування важко навантажених складових деталей із конструкційної кераміки, зумовлене пошкодженням матеріалу під час формотворення. Експлуатаційні показники деталі із ТК, такі, як зносостійкість, статична та утомна міцність, поряд із умовами роботи (тиск на сполучних поверхнях, швидкості їх відносного переміщення тощо) і показниками, які характеризують склад, структуру та механічні властивості взаємодіючих поверхонь, визначаються параметрами, що характеризують стан поверхневого шару деталі.

Вимоги до фізико-математичних властивостей і поверхневого шару деталі зумовлюються її призначенням, місцем та умовами експлуатації. Під терміном “якість поверхні” мається на увазі сукупність властивостей поверхневого шару оброблюваного матеріалу (точність деталей, шорсткість, щільність дислокацій, дефектність структури тощо). Для забезпечення надійності роботи деталей із керамічних матеріалів слід зменшити розкид показників якості виробів (до найважливіших із них належить міцність). Використовуючи статистичні і динамічні номінальні і локальні напруження уэ і деформації еэ від експлуатаційних навантажень при розрахунках на міцність слід враховувати розміри дефектів , коефіцієнти інтенсивності напружень K1c, і температурні умови навантаження . Це дозволяє використовувати для розрахунку залежності виду

При використанні ТК у деталях з точними розмірами без остаточної механічної обробки обійтися неможливо. Наявність дефектного шару, що впливає на експлуатаційні властивості виробів із конструкційних матеріалів і, перш за все, на міцність, характерна для всіх видів абразивної обробки крихких неметалевих матеріалів. Визначальний вплив дефектності на міцнісні властивості кераміки є загальновизнаним. Дослідження ймовірності розвитку дефектності під час алмазного шліфування ТК показали , що інтенсивність дефектотворення визначається рівнем напружено-деформованого стану оброблюваного матеріалу, залежного від режимів різання, фізико-механічних властивостей ОМ, характеристики інструменту та технологічної спадковості. Відсутні відомості про впливи значення сили різання та напряму її дії на формування структури дефектного шару. Саме цим пояснюється той факт, що до сьогодні не сформульовані вимоги до остаточної оброблювальної дефектності поверхневого шару виробів із кераміки конструкційного призначення із урахуванням структурної дефектності заготовки та експлуатаційних вимог до виробів.

Проблемі впливу напряму вектора швидкості при алмазному шліфуванні відносно площини дії згинального моменту присвячено велику кількість експериментальних досліджень, проте й сьогодні немає пояснення щодо ефекту зниження міцності зразка у разі змінення схеми шліфування.

На експлуатаційні властивості деталей суттєво впливають показники шорсткості їх поверхні (), які є водночас простим і надійним критерієм оцінювання стану технологічного процесу механічної обробки та умов експлуатації. Прогнозування параметрів мікрорельєфу поверхневого шару деталей із кераміки можливо лише через вивчення моделей формування мікрорельєфу, які слід будувати, орієнтуючись на механізми руйнування матеріалу припуску під час алмазного шліфування та фізичні закономірності, наявні при обробці кераміки. На цей час ще не досліджено вплив на формування висотних параметрів мікрорельєфу поверхневого шару випадкового характеру відколів ОМ на алмазних зернах, що залежать від фізико-механічних властивостей кераміки, характеристики інструменту, його стану та режимів різання.

У другому розділі „Методологічні основі формування експлуатаційних характеристик виробів із технічної кераміки при алмазному шліфуванні” розроблено загальну методологію формування поверхневого шару деталей із технічної кераміки під час алмазного шліфування, яка основана на системному підході.

Розглядається виробництво, експлуатація та утилізація деталей (виробів) із кераміки як технічну систему їх “життєвого циклу”, що має ієрархічну будову та складається з підсистем (рис. 1): синтезу порошку, отримання заготовки, механічної обробки, зміцнення поверхневого шару, експлуатації та утилізації. Кожна із підсистем у свою чергу підрозділяється на підсистеми. Якщо експлуатаційні параметри мікрорельєфу поверхневого шару формуються в межах однієї підсистеми (механічної обробки), то забезпечення вимог до виробу щодо фізико-механічних властивостей, міцності ТК здійснюється у кількох підсистемах.

У підсистемі отримання заготовки остаточно закладаються фізико-механічні властивості (), мікроструктура майбутньої деталі. Дефекти структури за місцем розташуванням є об'ємними й утворюються під впливом тріщин, які виникають унаслідок перемішування сторонніх тіл (пластифікувальних домішок) при формуванні й усадкових явищ під час сушіння та обпалювання. Розподіл структурних дефектів визначається щільністю ймовірностей , двовимірного розподілу двох випадкових величин півдовжини тріщини (), кутом її орієнтації (c). Випадкова півдовжина структурних дефектів знаходиться у межах , де - максимальна півдовжина структурних дефектів. Щільність дефектів структури (). Щільність розподілу дефектів у разі збільшення півдовжини їх розміру незалежно від їх виду зменшується і може бути описана щільність розподілу

де - характеризує тріщинуватість матеріалу (чим більша , тим можливіші малі тріщини).

У крихких матеріалів, до яких належить ТК, навіть м'які режими обробки при шліфуванні призводять до утворення мікротріщин на поверхні кераміки від силової та теплової дії різального інструменту. Визначальними параметрами дефектів є поверхнева щільність nо, лінійні розміри (півдовжина тріщини ) і кут орієнтації тріщини (о), глибина дефектного шару . З огляду на умови формування дефектів, можна вважати, що щільність імовірності розподілу структурних та оброблюваних дефектів не залежать одна від одної. У такому випадку сумісна щільність імовірності розподілу дефектів структури та оброблювальних дефектів = .

На деталі під час механічної обробки формується мікрорельєф поверхневого шару, який також безпосередньо впливає на експлуатаційні показники виробу із ТК. Методи зміщення поверхневого шару, як правило, є трудомісткими, неекологічними й призводять до зміни геометричних розмірів і втрати геометричної точності деталі, що позначається на надійності та тривалості її експлуатації. Наведені причини призвели до того, що підсистему зміцнення у виробничних умовах прагнуть не застосовувати.

Серед факторів зовнішнього середовища, поряд із випадковими зміненнями різних умов, важливе місце посідають випадкові коливання навантажень. Розсіювання значень впливу зовнішнього середовища Щ(ф) під час експлуатації виробу спричинює розкид результатів функціонування та може призвести до зміщення їх середніх значень. Основним показником, що характеризує несучу здатність деталі з ТК, є коефіцієнт запасу міцності, який дорівнює припустимій міцності на розтяг матеріалу до максимального напруження умах, що виникає в ньому від дії на деталь теплових і силових навантажень. У випадку нормального розподілу напружень при експлуатації, вони характеризуються математичним сподіванням m(уmax) і середньоквадратичним відхилом s(уmax). Максимальне напруження характеризує ймовірність безвідмовної роботи за міцністю виробу, визначувану через функцію Лапласа.

З допомогою системного підходу показано, що в основі формування експлуатаційних властивостей деталі лежать фізичні і хімічні процеси та явища, які виникають між різальними елементами інструменту та оброблюваною поверхнею і визначають силову взаємодію між зернами круга та вилучуваним припуском. Сила різання на зерні залежить від параметрів процесу стружкотворення (розміри і форми окремих зрізів ОМ) та комплексу фізико-механічних властивостей кераміки, які будемо в першому наближенні вважати незмінними для зони контакту і такими, що відповідають вхідним властивостям заготовки. Під час шліфування в поверхневому шарі під дією силового та теплового полів виникає напружено-деформований стан поверхневих шарів оброблюваної заготовки, який формує дефектний шар.

Розрахунок напружено-деформованого стану оброблюваного матеріалу з допомогою пакета фізичного моделювання “ANSYS” показав, що найзначніші еквівалентні напруження виникають або безпосередньо під площадкою спрацювання на зерні (рис.2) або у вершини зерна у напрямі його руху. Оскільки реальну форму зерна можливо лише приблизно описати тією чи іншою математичною фігурою, то і при шліфуванні наявне розсіювання реальної величини сили різання, який спричиняє руйнування матеріалу припуску. Та ж причина позначається і на формуванні дефектного шару крихких неметалевих матеріалів.

На формування дефектного шару в поверхневому шарі ОМ впливає поширення напружень щодо напряму руху зерна. У перерізах, які проходять через вісь зерна під кутом до напряму його руху, в площині канавки було визначено еквівалентні напруження. Із збільшенням кута напруження зменшуються. Такий характер розподілу напружень перед зерном може впливати на формування дефектного шару ОМ, на появу тріщин у поверхневому шарі з переважною орієнтацією в напрямі руху зерна.

Під час шліфування кераміки в зоні різання існує взаємодія з ОМ одночасно великої кількості алмазних зерен із випадковим характером їх розподілу за висотою робочої поверхні круга і з реальною різноманітністю їх форм, яку при моделюванні процесу різання сьогодні врахувати неможливо. Тому найбільш об'єктивним методом визначення сил різання, а отже, і формування дефектного шару на заготовці у наш час є експериментальний.

Системний підхід до процесу забезпечення експлуатаційних характеристик виробу із ТК дозволяє врахувати безпосередній вплив підсистеми механічної обробки, яка входить як невід'ємна частина до технологічного процесу виготовлення деталі та розробити структурно-логічну схему роботи, послідовність аналізу формування поверхневого шару при алмазному шліфуванні.

Для реалізації комплексу експериментальних досліджень алмазного шліфування ТК розроблено стенд і методику їх проведення. Дослідження дефектності ситалів і кераміки здійснено за методом люмінісцентної дефектоскопії з використанням люмінісцентної рідини ЛР-6А( ТУ-І 111-13-18), яка забезпечує перший рівень чуттєвості (виявлення дефектів розміром до 1 мкм). При аналізі фотографій використовували програмовий комплекс для автоматизованої обробки результатів дослідження поверхні, що дозволяє розрахувати розміри зерен і дефектів за знімком і визначити поверхневу щільність дефектів. Для вивчення поверхневого шару кераміки також застосовували растровий електронний мікроскоп BS 340. Для випробування керамік на статичну тріщиностійкість К1с і твердість за Віккерсом НV було застосовано метод індентування. Дослідження 3D топографії обробленої поверхні проводилось на “ HOMMELWERKE” Turbo Roughness V3.32.

Для експериментального оцінювання стану робочої поверхні круга ( РПК) використано метод профілографування щупом у вигляді лопаточки з обробкою результатів за методологією стереологічної реконструкції поверхні, що дозволяє визначити відстані між вершинами зерен і кількість зерен на одиницю поверхні РПК .

У третьому розділі „Теоретичні основи формоутворення поверхонь при шліфуванні” розглянуто питання опису РПК, кінематики формотворення заготовок на основі апарату багатопараметричного відображення афінного простору, взаємодії в зоні контакту ОМ заготовки та алмазних зерен шліфувального круга (ШК) із застосуванням деяких положень теорії поля.

Значний вплив на формування якісних показників поверхневого шару деталі із кераміки під час алмазної обробки має характеристика алмазного круга та стан його робочої поверхні. Положення вершини зерна на робочій поверхні круга в циліндричній системі координат ШК визначається випадковим вектором , що відповідає елементарній події із деякого простору елементарних подій Е. Кожній елементарній події може бути поставлено у відповідність декілька дійсних чисел (u, zк, ) із множини їх можливих значень. Система трьох випадкових величин (U, Zк, ) є випадковою точкою у тривимірному просторі, що є рівнозначним заданню цієї точки випадковим вектором. У цьому випадку йдеться про випадкове векторне поле, визначене в деякій області тривимірного простору робочою поверхнею круга D .

Поле зерен на робочій поверхні не є однорідним, оскільки кількість зерен (вершин), потрапивших у довільну просторову фігуру (належну області D) залежить від того, де вона знаходиться. Це пов'язано з нерівномірним розподілом вершин зерен за висотою u РПК, який при обробці крихких неметалевих матеріалів відповідно до експериментальних результатів адекватно описується розподілом Вейбулла. Проте робоча поверхня круга однорідна в різних напрямах і для неї виконуються умови ординарності та відсутності взаємодії між зернами. Тому повною характеристикою системи випадкових величин є щільність розподілу

де и - параметри розподілу ( >0, >0), визначались експериментально за результатами профілографування круга безпосередньо на верстаті.

Для опису зміцнення форми зерна під час шліфування застосовано степеневу модель, що описує зміцнення ширини зерна () від його висоти

де и - емпіричні коефіцієнти, - координата, відмічувана від вершини алмазного зерна. Якщо припустити, що зв'язку ШК розташовано на одному рівні, а найбільша вісь зерна є перпендикулярною до неї, то математичне сподівання величини площі, яку займають зерна на одиниці робочої поверхні круга в перерізі, розташованому від зовнішньої поверхні круга на відстані , визначається із залежності

Використовуючи отриману залежність (5), можна визначити математичне сподівання відносної опорної площі робочої поверхні круга РПК для будь-якої відстані від зовнішньої поверхні круга у межах глибини РПК (0с).

Кожному рівневі робочої поверхні круга, що визначається координатою u в нормальній системі циліндричних координат , u, z , відповідає певна відносна опорна площа поверхні алмазних зерен Ас(с). Таким чином, у кожній зоні робочої поверхні круга знайдено скалярну величину, яка визначає поле скалярної величини. Через кожну точку поля проходить єдина поверхня рівня поля, яка набуває значень од 0 до 0.25. Кожному рівневі робочої поверхні круга відповідає певна скалярна величина, що характеризує відносну опорну площу поверхні алмазних зерен та об'ємну частку алмазних зерен, а також визначає можливість усунення матеріалу припуску інструментом на цьому рівні.

Використання відображення афінного простору під час формотворення поверхонь шліфуванням дозволило узагальнити наявні схеми шліфування, отримати рівняння, які описують межі зони контакту ШК та заготовки в процесі обробки, довжини дуги контакту алмазного зерна при мікро різанні з урахуванням різновисотності зерен на робочій поверхні круга та схеми шліфування.

Під час шліфування маємо векторне поле переміщення формотвірних елементів, алмазних зерен (рис.3). Розглянемо у векторному полі алмазних зерен переміщення елементарний об'єм dVд заготовки, розташований на глибині ti від вихідної зовнішньої поверхні заготовки радіуса r при круглому зовнішньому врізному шліфуванні периферією круга

Процес взаємодії шліфувального круга з матеріалом припуску заготовки розглянемо в нормальних циліндричних системах координат. Відлік полярного кута здійснюється проти ходу годинної стрілки.

Розглянемо у векторному полі алмазних зерен робочої поверхні інструменту переміщення площадки одиничної ширини (zд=1) заввишки dt, з вектором нормалі nк, що є колінеарним векторові швидкості заготовки . Кутове положення площадки на заготовці визначається величиною кута , відліковуваного від полярної осі. Початок контакту площадки з робочою поверхнею круга відбувається в точці С, яка визначається кутом 0, залежним од розташування площадки за глибиною ti. Кут між вектором швидкості круга та нормаллю до площадки дорівнює

Послідовність алмазних зерен, які проходять через площадку dt·1, яка розглядається, є потоком подій. Для цього потоку зерен виконуються умови ординарності та відсутності взаємодії. Гранична глибина заглиблення зерна, що найбільш виступає із зв'язки umax..

Із урахуванням напрямку переміщення площадки кількість прохідних зерен, сумарне число зерен , що беруть участь у вилученні припуску за час , протягом якого площадка перейде із положення, визначуваного кутом i, в кутове положення i+1, визначиться за залежністю

Підінтегральний вираз є циркуляцією поля переміщення зерен інструменту на цьому відрізку траєкторії руху площадки. Циркуляція поля вздовж лінії контакту заготовки з ШК зумовлює кількість зерен, що візьмуть участь у вилученні матеріалу вздовж цієї лінії.

Для круглого врізного шліфування (див. рис. 3, б) вхідні потоки алмазних зерен спрямовані по двох поверхнях розглядуваного об'єму ДVд, а по двох- вихідні. Тоді загальну кількість зерен, що беруть участь у вилученні матеріалу припуску із об'єму ДVд у разі його переміщення в зоні різання, можна знайти за такою залежністю:

При моделюванні профілю зерна степеневою залежністю (4) сумарна ширина зерен , що проходять через переріз на відрізку траєкторії, довжина якого обмежена кутами i та i+1 , визначається інтегралом

Імовірність неусунення матеріалу на площадці заготовки, що розглядається, визначається характеристикою поля інструменту bi,i+1 на вказаному відрізку її кутового переміщення Рi+1(,t)=Pi(,t)exp(-bi,i+1(,t)). Імовірність контакту алмазного зерна з матеріалом на відокремленій площадці дорівнює ймовірності неусунення матеріалу. Помноживши загальну кількість прохідних через площадку зерен на ймовірність їх контакту, яка дорівнює ймовірності не усунення матеріалу, отримаємо кількість активних , які беруть участь в усуненні припуску

Отримані результати дозволяють визначити середню площу перерізу зрізу ОМ на зерні за залежністю

.

Якщо вектор швидкості довільної точки РПК помножити на скалярну функцію Ас поля ШК, отримаємо векторну характеристику поля круга під час обробки . Ротація поля ШК визначається за залежністю . Траєкторії, за якими переміщуються точки поля, є векторними лініями. Вектор поля доторкається в кожній точці траєкторії до робочих елементів круга. Дивергенція потоку поля робочих елементів круга (алмазних зерен) , якщо припустити відсутність змінені у його робочій поверхні, дорівнює нулеві, тобто .

Потік поля робочих елементів круга через будь-яку замкнуту поверхню, у разі коли цю поверхню можна стягнути в точку, не перетинаючи меж поля, також дорівнює нулеві. Таким чином, ми маємо випадкове соленоїдальне векторне поле. Циркуляція поля ШК уздовж лінії контакту довільної площадки на заготовці з кругом характеризує можливості інструменту із вилучення матеріалу припуску вздовж цієї лінії.

У четвертому розділі „Розробка математичної моделі та дослідження формування мікрорельєфу поверхневого шару при алмазному шліфуванні кераміки” проаналізовані механізми та розроблено математичну модель формування мікрорельєфу поверхневого шару при алмазному шліфуванні ТК. Формування висотних параметрів мікрорельєфу при алмазному шліфуванні кераміки відбувається під дією двох механізмів. Перший механізм пов'язаний із копіюванням на оброблюваній поверхні траєкторії алмазних зерен, які залишають в оброблюваному матеріалі сліди - зрізи, що відповідають тією чи іншої мірою ступеню, різновисотності, розмірам і формі зерен. Щоб описати цей механізм застосовують апарат теорії ймовірностей і випадкових процесів, які пов'язані із випадковим характером рельєфу круга. Другий механізм, що відноситься до вторинних процесів у зоні контакту, пов'язаний з відколом ОМ із поверхневого шару заготовки.

Середня кількість відколів ас, які трапляються на одиницю площі поверхневого шару (рис. 4), характеризує інтенсивність випадкового процесу відколення внаслідок руйнування припуску алмазними зернами. Перевірку однорідності поля відколів здійснено на основі аналізу статистичних розподілів, отриманих при обробці фотографій (рис. 4, а) різних ділянок поверхні зразків, отриманих на растровому електронному мікроскопі BS 340.

Відколи в поверхневому шару розподілені за законом Пуассона. Імовірність появи відколів визначається за формулою

де m - кількість відколів; - інтенсивність відколів; - коефіцієнт, що враховує вплив фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу та режимів різання (глибини різання t) на інтенсивність відколів; А, В, С - емпіричні коефіцієнти.

Критичне значення перерізу зрізу визначали на косих зразках. Експериментально встановлювали фактичну глибину різання зерна, за якої стався перший відкол, і для неї через розрахунок знаходили середнє значення площі зрізу ОМ на зерні по формулі (11).

Руйнування кераміки у вигляді осередків шириною є випадковим процесом, залежним від режимів різання, і адекватно описується нормальним законом розподілу з параметрами ,(див. рис.4, б). Закон розподілу випадкової функції ширини відколу B(fз) від площі середнього зрізу ОМ на зерні

Для моделювання випадкової дискретної величини, якою є відколи, нами застосовано метод Монте-Карло.

При математичному моделюванні функціонування системи алмазного шліфування для усунення оброблюваного матеріалу кераміки та формування параметрів мікрорельєфу поверхневого шару на заготовці розглядали як послідовну зміну станів. Зону контакту круга із заготовкою поділено на вертикальні шари, рівновідділені один від одного на величину . Горизонтальні шари утворюються перетином вертикальних шарів із траєкторією переміщення зерна яке найбільш виступає на РПК. Це дозволяє визначити зміни в оброблюваному матеріалі через дискретні проміжки часу в кожному із зазначених комірок. Довжина комірки вважалася такою, що дорівнює базовій довжині , на якій визначаються висотні параметри мікрорельєфу згідно з ДОСТ 2789-73.

Для кожного із об'ємів за інтервал часу визначали кількість зерен які проходять через нього, імовірність їх контакту з оброблюваним матеріалом і перерізу зрізу ОМ на алмазних зернах. Для створення випадкового вектора розподілу зерен за висотою використано стандартну статистичну функцію, що єв MathCAD 2001 PRO, rweibull (Nз, ), де Nз - кількість зерен, які проходять через переріз шириною ; - параметр форми розподілу. Імовірність появи відколів визначали з допомогою функції генерації випадкових чисел по всіх об'ємах. Ця задача розв'язується з використанням математичного пакету MathCAD з допомогою функції - rnd(x). Для встановлення кількості відколів у

i-тому інтервалі знаходили обернене значення (квантилі) розподілу Пуассона .

Внаслідок моделювання визначаються об'єми, де відбувся відкол, і кількість відколів . Ширина відколу у об'ємі встановлюється генеруванням випадкової величини, розподіленої за нормальним законом із параметрами . Глибину відколу визначали за залежністю где - коефіцієнт форми відколу.

Це дозволило з'ясувати поширення відколів углиб оброблюваного матеріалу. Далі встановлюється кількість відколів і їх глибина на рівні зерна максимально виступаючого із зв'язки. За відколом із найглибшим поширенням за лінією зрізу , добудовується матриця вилучуваного матеріалу на горизонтальних шарів.

Розроблено алгоритм імітаційного моделювання та програму формування мікрорельєфу поверхні без відколів ОМ на алмазних зернах і з урахуванням відколів. Параметри шорсткості поверхневого шару () визначено відповідно до ДОСТ 2789-73 і додаткові параметри () залежно від фізико-механічних характеристик конструкційної кераміки, стану шліфувального круга та режимів різання.

Результати розрахунку параметрів мікрорельєфу поверхневого шару для фіксованих режимів різання та стану робочої поверхні круга, отримувані за методом статистичного моделювання мають випадковий характер. Це пов'язане із випадковим характером розподілу вершин зерен за висотою, імовірнісним характером як місця, так і розміру відколів, їх кількості в поверхневому шарі деталі. У цьому випадку, на відміну від відомих математичних моделей формування мікрорельєфу, для оцінювання параметрів мікрорельєфу необхідно використовувати їх середні значення та дисперсії, отримані за результатами багаторазового моделювання. Розрахункові значення визначали з урахуванням дисперсії розрахункових величин значущості рівня 0,05.

Перевірку адекватності математичної моделі формування висотних параметрів при плоскому врізному алмазному шліфуванні периферією круга здійснювали за експериментальними результатами, отриманими на профілограф-профілометрі моделі 201, та сканувальному приладі “HOMMELWERKE” (

Запропонована модель крихкого руйнування поверхні кераміки адекватно відбиває реальний механізм утворення параметрів шорсткості у разі змінення режимів різання. Фізико-механічні властивості кераміки також впливають на розміри відколів матеріалу припуску та формування висотних параметрів поверхневого шару деталі. Результати моделювання свідчать, що якщо при розрахунках не враховувати вплив відколів на формування мікрорельєфу, то розходження з експериментальними даними будуть досить суттєві і можуть становити 500 %.

Для вибору параметрів режиму різання та характеристики шліфованого круга (середнього розміру зерна ) залежно від фізико-механічних властивостей ОМ та експлуатаційних вимог до виробу за висотними параметрами мікрорельєфу кераміки зручно мати їх у вигляді степеневих регресійних залежностей :

Для отримання цих регресійних залежностей проведено дослід із допомогою створеної програми. Оскільки залежність висотних параметрів мікрорельєфу кераміки після алмазного шліфування від режимів обробки є нелінійною, то при плануванні досліду застосовано композиційний рототабельний план виду 25-1.

Вплив зернистості та стан ШК при моделюванні враховували через зміну коефіцієнта форми Сb, кількості алмазних зерен на одиниці робочої поверхні та параметрів їх розподілу за висотою на РПК, відповідно до результатів досліджень, наведених у розділі 3. Адекватність отриманої моделі перевірялася з допомогою критерії Фішера.

Основний вплив на формування висотних параметрів мікрорельєфу поверхневого шару має кількість відколів і їх розміри. Найменші значення Ra забезпечуються за відсутності відколів на оброблюваній поверхні. Із збільшенням індексу крихкості матеріалу кераміки діапазон змінення швидкостей шліфувального круга та заготовки, в якій у поверхневому шарі відсутні відколи, зменшується.

У п'ятому розділі „Формування дефектного шару при алмазному шліфуванні та яго вплив на міцність виробів” наведено результати перевірки впливу структури дефектного шару на міцність ТК та вплив технології алмазного шліфування на неї.

Складові сили шліфування та коефіцієнт абразивного різання залежать від таких фізико-механічних характеристик ОМ, як індекс крихкості , та значення критичної сили при індентуванні, яка спричиняє появу в ОМ медіанних тріщин. Нормальна складова сили різання для всіх досліджуваних матеріалів практично прямо пропорційна критичній силі, за якої виникають медіанні тріщини, а її критична величина, за якої починає стало розвиватися, обернено пропорційна квадратові індексу крихкості матеріалу.

Дослідами доведено, що щільність розподілу оброблювальних дефектів за розмірами адекватно описується спрощеним бета-розподілом (2). Це дозволяє охарактеризувати розподіл дефектів за розмірами з допомогою одного із параметрів розподілу - тріщинуватості , котрий визначали при обмеженні на режим різання за відсутністю впливу теплового потоку з зони контакту на розвиток дефектів. Параметр тріщинуватості залежить від нормальної складової сили різання:

Із збільшенням радіального навантаження при шліфуванні зростає частка дефектів із більшими розмірами, і параметр тріщинуватості знижується.

Залежність максимальної величини півдовжини оброблюваних дефектів у поверхневому шарі зумовлено індексом крихкості кераміки. Чим менший індекс крихкості матеріалу, тим більша величина півдовжини мінімальної оброблювальної тріщини в поверхневому шарі (рис.6).

Глибина дефектного шару для розгляданих матеріалів не перевищувала . Експериментальні дослідження структури дефектного шару показали, що дефекти в поверхневому шарі кераміки мають переважно орієнтацію в напрямі руху зерна, і на це слід зважати, аналізуючи вплив механічної обробки на міцність деталей із ТК. Для аналізу взаємозв'язку між півдовжиною тріщини та її напрямом було виконано кореляційний аналіз. Для рівня значущості 0,05 величини півдовжин тріщин є статистично залежними від напряму руху зерна. Проте, як показав кореляційний аналіз для інтервалів орієнтації тріщин ( та ), параметр тріщинуватості за прийнятого рівня значущості для кожного з інтервалів можна вважати постійним.

Встановлено, що для розглядуваних інтервалів орієнтації тріщин напрям і щільність розподілу півдовжин тріщин є незалежними величинами, для яких виконується умова .

Щільність розподілу дефектів за кутом їх орієнтації відносно напряму вектора швидкості різання має вигляд

Отримана залежність підтверджує результати моделювання поширення напружень щодо напряму руху зерна (див. рис. 2).

У зв'язку з наведеними вище результатами та спираючись на праці Болотіна В.В., Вітвицького П.М., Панасюка В.В., запропоновано залежність для визначення середньої міцності виробів на згин

, - коефіцієнти розташування та форми дефектів відповідно; - функція впливу направлення дефектів на розвиток тріщин.

У розділі наведено експериментальні дослідження впливу структурних та оброблюваних дефектів на міцність зразків із кераміки на згин. Обробку досліджень із оцінювання впливу структурних та оброблювальних дефектів на міцність у разі згину здійснювали з використанням розподілу Вейбулла. Відхил експериментальних значень від розрахункових із урахуванням дефектів обробки в поверхневому шарі не перевищує 10%. Стала, що характеризує неоднорідність матеріалу, отримана через розрахунок за результатами виміру дефектів у поверхневому шарі, відрізнялася не більш ніж на 5% од експериментальних значень.

При механічній обробці ТК залежно від її структурної дефектності можна обрати схему обробки та режими різання, за яких вплив оброблювальної дефектності на міцнісні якості матеріалу буде незначним ( наприклад, не більш ніж 10%).

У шостому розділі „Дослідно-промислова здійснювання результатів досліджень” наведені відомості про перевірку нових способів шліфування неметалевих матеріалів, та розроблену методику вибору раціональних режимів різання при алмазному шліфуванні конструкційної кераміки.

Завданням технолога є забезпечення комплексу показників якості поверхневого шару через призначення технологічних умов обробки: схеми обробки ( її геометричних і кінетичних параметрів ), характеристики алмазного круга та режимів різання. Взаємозв'язок умов обробки з вимогами до надійності експлуатації виробу з кераміки можна описати такою залежністю:

Розрахункове прогнозування надійності роботи на стадії проектування є актуальним для розроблення конкурентноспроможних машин, розрахунку експлуатаційного ресурсу деталі для забезпечення необхідної ймовірності ії неруйнування. Руйнування елемента конструкції із ТК відбувається внаслідок досягнення у деякому об'ємі граничного значення енергії пружніх деформацій розтягу ур.

Алгоритм визначення технологічних умов обробки для забезпечення необхідних значень з міцності та зносостійкості зображено на рис.7. Згідно з алгоритмом запропоновано таку послідовність вибору технологічних умов обробки:

1. Визначення величини та місця з максимальними напруженнями за допомогою методу кінцевих елементів.

2. Визначити математичне сподівання m(уmax) максимального напруження та його середньоквадратичний відхилення s(уmax). Навантажувальний спектр, відповідно до умов роботи, можливо схематизувати з допомогою одного із відомих методів. Наприклад, за допомогою методу статистичних випробувань (навантаження набуває випадкових значень), згідно з якими проводять багаторазовий міцнісний розрахунок.

3. Вибір вихідних умов алмазного шліфування кераміки (характеристика інструменту, режимів різання) за умов забезпечення вимог до деталі за висотними параметрами мікрорельєфу.

4. Розрахунок параметрів структури дефектного шару, для обраних умов обробки користуючись залежностями (16,17).

5. Визначення математичного сподівання значення міцності деталі та його середньоквадратичного відхилення після механічної обробки з використанням залежності (18).